KR20100030486A - 파장 가변 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평판형 파장 선택성 필터에 수직으로 입사하는 빛 중에서 수직으로 반사 또는 수직으로 일부투과/일부반사하는 빛의 파장을 선택하는 파장 선택성 필터에 있어서 선택되는 파장을 조절할 수 있도록 하는 파장 가변 필터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 파장 가변 필터는 고분자 재료를 중심으로 고분자의 양쪽에 금속 박막을 증착하거나, 기판에 형성된 회절 격자에 고분자 층을 결합하거나, 고분자 층 자체에 회절 격자를 형성하는 구조로 이루어져, 파장 선택 필터의 고분자 층의 온도를 바꾸어주어 온도의 변화에 따른 고분자의 굴절률 변화를 이용하여 필터에 대해 수직으로 입사한 빛에 대해 수직으로 반사하거나 수직으로 일부투과/일부반사하는 빛의 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.
필터, 단일 모드, 파장 가변, 회절 격자, 고분자, 에탈론

Description

파장 가변 필터 {Tunable Wavelength filter}
본 발명은 파장 가변 필터에 관한 것으로서, 특히 평판형 파장 선택성 필터에 수직으로 입사하는 빛 중에서 수직으로 반사 또는 수직으로 일부투과/일부반사하는 빛의 파장을 선택하는 파장 선택성 필터에 있어서 선택되는 파장을 조절할 수 있도록 하는 파장 가변 필터에 관한 것이다.
현재 대량의 정보를 수송하는 방법으로써 광통신이 널리 사용되고 있다. 광통신은 국가간의 정보통신뿐만 아니라, FTTH(Fiber To The Home), FTTP(Fiber To The Pole) 등의 방식으로 가정에 집적 광 중계를 통한 대용량의 정보가 소통되는 상황에 이르고 있다. 이러한 대량 정보 유통을 위한 광통신은 광통신에 사용되는 빛을 만드는 소자인 발광소자와, 광신호를 전달하는 매체로인 광섬유와, 전달된 광신호를 전기신호로 바꾸어 주는 수광소자를 필수적으로 필요로 하게 된다. 이 중 광통신에 이용되는 빛을 만드는 발광소자로 반도체 소자 제조 기법을 사용하는 레이저 다이오드가 사용된다. 이 레이저 다이오드는 전기 신호를 빛(광) 신호로 바꾸 어주는 소자이다.
반도체 레이저 다이오드에는 전기를 빛으로 만들어주는 이득 매질에 빛의 방향성을 결정하여 주는 광도파로가 설정되고, 빛을 피드백(Feedback) 시킬 수 있는 반사거울이 조합된다. 가장 간단한 반도체 레이저 다이오드는 Fabry-Perot(FP) 형의 레이저 다이오드로써, 이득 매질의 양 끝단이 반사거울로 작용하는 구조가 된다. 빛이 반사하여 공진되는 부분을 공진기라 하며 통상의 반도체 레이저 다이오드 칩은 반도체 레이저 다이오드 칩의 양 단면 사이에서 빛이 공진하므로 이 양단면이 공진기를 형성하게 된다. 이러한 FP형 레이저 다이오드에서 레이저 발진하는 빛의 파장은 레이저 다이오드 칩의 양 끝단을 빛이 왕복할 때 빛의 위상이 2π(360°) 바뀌는 조건인 Bragg law를 만족하는 빛 중에서 레이저 다이오드의 이득 분포내에 있는 파장들로 구성된다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩의 길이가 300㎛ 정도일 때 Bragg law에 의한 허용 파장들의 간격은 대략 0.8nm에 해당한다. 그러므로 1550nm 대역의 광통신용 레이저 다이오드를 기준으로 할 때 FP 발진 모드는 파장 간격이 0.8nm인 수많은 모드들이 허용된다. 이러한 허용 모드들에서 반도체 이득 매질의 이득 특성과 일치하는 파장의 빛들이 실질적으로 FP형의 발진 모드로 발진하게 된다. 통상적으로 FP형 레이저 다이오드 칩에서는 10개 정도의 모드가 동시에 발진한다. 즉 FP형 레이저 다이오드 칩의 총 발진 선폭은 10개의 발진 모드 넓이의 절반인 5nm 정도의 발진 선폭을 가지게 된다.
최근에 레이저 다이오드 칩의 적어도 하나의 단면을 5% 이하의 반사율(바람직하게는 1% 이하의 반사율)을 가지게 하여 FP 모드 발진을 억제한 상황에서 레이 저 다이오드 칩의 외부에서 특정하게 선택된 파장의 빛만 레이저 다이오드 칩으로 피드백시켜 레이저 동작이 일어나게 하는 단일 모드 외부 공진기형 레이저가 많이 연구되어 사용되고 있다. 특히 외부에서 파장을 선택할 때 선택되는 파장을 조절 할 수 있는 기능을 가진 필터를 파장 가변 필터라 부른다.
파장 가변 필터는 구조적인 측면에서 광도파로형 파장 가변 필터와 평판형 파장 가변 필터로 나눌 수 있다. 이 중, 평판형 파장 가변 필터는 에탈론 형태의 파장 가변 필터와 회절 격자 무늬 형태의 파장 가변 필터로 나뉘게 된다.
도 1은 에탈론 필터라고 부르는 종래의 파장 가변 필터의 한 예를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가장 간단한 파장 가변 필터인 에탈론 필터(10)는 유리 등 고려되는 빛에 대해 투명하며 평평한 기판(11)의 양면을 일정한 반사율을 가지게 유전체 박막(12) 등으로 증착하는 구조로 제작된다. 에탈론 필터(10)로 입사한 빛이 에탈론 필터(10) 내부에서 여러 번 반사 및 투과를 하게 되고 그 반사 또는 투과된 빛들의 간섭 현상에 의해 특정한 파장만 선택되어 에탈론 필터(10)를 투과하게 된다. 이때 투과하지 못하는 파장은 에탈론 필터(10)에서 반사되는데, 에탈론 필터(10)는 넓은 파장폭으로 주어지는 입사광중에서 특정한 파장만을 선택하여 투과시키고 나머지 파장은 필터에서 반사시키게 된다.
이러한 에탈론 필터 형태의 파장 가변 필터를 외부 공진기형 레이저에 사용할 경우 에탈론 필터에서 반사되어 레이저 다이오드 칩으로 궤환되는 빛은 에탈론 필터에 의해 선택되는 파장이 될 수 없으므로 이를 이용하여 외부 공진기형 레이저 를 제작할 수 없게 된다.
도 2는 종래의 에탈론 필터를 이용한 외부 공진기형 레이저의 배치를 나타낸 것으로, 종래의 일반적인 에탈론 필터(10)를 사용하는 경우에는 에탈론 필터(10)에 입사하는 광축에 대해 에탈론 필터(10)를 경사지게 배치하고, 이 에탈론 필터(10)를 투과하여 선택된 파장을 에탈론 필터(10)의 후방에 배치된 일부 반사 거울(30)로 다시 레이저 다이오드 칩(20)으로 궤환시키는 방법을 사용할 수 있다.
도 2에서 동일한 에탈론 필터(10)를 다른 경사각을 갖게 배치하면 에탈론 필터(10)에 의해 선택되는 파장은 달라지게 된다. 그러므로 특정한 에탈론 필터(10)를 이용하여 외부 공진기형 레이저를 제작할 경우에는 매우 정밀한 각도로 에탈론 필터(10)와 일부 반사 거울(30)의 배치 각도를 조절하여야 하는데, 이는 매우 조립을 어렵게 하는 요인이 된다. 또한, 이러한 구조에서 외부 공진기형 레이저의 발진 파장을 바꾸기 위해서는 에탈론 필터(10)의 물리적인 조립각도를 바꾸어 주어야 하므로 제작이 매우 어렵고 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
도 3은 종래 반사형 파장 가변 필터의 개념도이다.
도 3에 도시된 반사형 파장 가변 필터의 인용예에서는 유전체 박막의 양면에 금속 박막이 증착된다. 인용예에서는 유전체 박막의 레이저 다이오드 칩 쪽 면은 얇은 금속 박막으로 증착되어 레이저 빛이 일부 투과 일부 반사하게 되며, 유전체 박막의 레이저 다이오드 칩 반대면은 두꺼운 금속으로 증착된다. 이 경우 유전체 박막의 양쪽 면에서 반사되어 레이저 다이오드 칩으로 궤환되는 빛은 유전체 박막의 두께와 굴절률로 계산된 광학 길이를 빛의 파장으로 나누었을 때 2π가 되는 특 정한 파장이 선택되고 나머지는 금속에서 흡수되어 없어지게 된다. 그러므로 인용하는 형태의 필터를 사용할 경우에는 레이저 다이오드 칩으로 선택된 파장을 궤환시키는 기능을 수행할 수 있게 된다. 그러나 이러한 방법에서는 선택되는 파장을 바꿀 수는 없다.
도 4는 파장 가변 필터의 종래 다른 예인 회절 격자 무늬에 의한 파장 가변 필터를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 수직으로 파장 가변 필터(10)의 회절 격자 무늬(15)에 입사하는 레이저 빛 중에서 회절 격자 무늬(15)의 주기에 따른 특정 파장의 레이저 빛만 필터에서 수직 반사하거나 수직 투과하며 이 외의 파장에 해당하는 레이저 빛은 다른 각도로 반사하거나 투과하게 된다. 이때 반사율 및 투과율은 회절 격자 무늬(15) 자체의 반사율로 결정된다. 즉 회절 격자 무늬(15)에 수직 입사하는 빛 중에서 특정한 파장의 빛은 회절 격자 무늬(15)의 반사율에 해당하는 양이 회절 격자 무늬(15)에서 수직 반사하여 도면에는 도시되지 않은 레이저 다이오드 칩으로 궤환되고, 회절 격자 무늬(15)의 투과율에 해당하는 빛이 회절 격자 무늬(15)를 수직 투과하게 된다. 회절 격자 무늬(15)에서 수직으로 반사 또는 투과하는 특정한 파장을 제외한 빛은 회절 격자 무늬(15)의 반사율에 해당하는 빛은 회절 격자 무늬(15)에 대해 수직 이외의 각도로 반사하고, 나머지는 수직 이외의 각도로 투과한다.
도 5a는 이러한 특성을 갖는 회절 격자 무늬를 이용한 파장 가변 필터의 개념도이고, 도 5b는 파장 가변 필터를 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저의 구조 를 나타낸 것이다.
도 5b에서 파장 가변 필터에 수직으로 입사하는 빛 중 수직으로 반사하는 빛 성분만 원래의 레이저 다이오드 칩으로 궤환(feedback) 될 수 있어 파장 가변 필터에 의해 선택된 파장의 빛만 레이저 다이오드 칩으로 궤환되어 레이저 동작이 일어나게 된다. 레이저 동작이 일어난 후에는 레이저 다이오드 칩에서 발생한 빛의 대부분이 파장 가변 필터에서 선택된 파장의 빛이므로 이 파장의 빛은 파장 가변 필터에서 일부가 수직 반사하여 레이저 다이오드 칩으로 피드백되어 계속적인 레이저 동작이 일어나게 되고 일부는 파장 가변 필터를 수직으로 투과하여 레이저 빛의 사용 목적에 맞게 활용된다. 도 5a에서는 이러한 회절 격자 무늬를 이용한 평판형 파장 가변 필터에 액정(Liquid crystal)을 접촉시키고 접촉된 액정에 가해지는 전압을 변화시켜 수직 입사 빛에 대해 수직 반사/투과하는 빛의 파장을 바꾸어주는 방법으로 파장 가변 필터를 제작하게 된다. 액정은 가해지는 전압에 따라 액정의 정렬 방향이 바뀌게 되고, 동시에 굴절률이 바뀌게 된다. 그러므로 액정과 회절격자의 접촉 부위의 유효 굴절률은 액정에 가해지는 전압에 따라 달라지게 된다. 매질내에서 빛의 파장은 매질의 굴절률에 따라 변화하게 되나, 회절 격자의 주기 자체는 바뀌지 않으므로, 액정의 굴절률이 바뀌게 되면 외부에서 주어지는 빛이 보는 회절 격자의 주기가 달라지게 되어 빛의 산란 및 회절 현상이 바뀌게 된다. 이는 액정의 굴절률을 변화시킴에 따라 수직 입사하는 빛에 대해 수직으로 반사 또는 투과하는 빛의 파장이 바뀌게 됨을 의미하며, 이로써 액정에 가해지는 전압을 변화시킴으로써 파장 가변 필터에서 선택되는 파장을 바꿀 수 있는 파장 가변 필터가 완 성된다. 도 6은 이러한 액정에 가해지는 전압의 변화에 따른 외부 공진기형 레이저에서 발진 파장 변화를 나타낸 그래프이다.
상기 도 5a 내지 도 6에 나타난 종래 기술은 회절 격자의 유효 굴절률 변화를 액정에 가해지는 전압의 변화로 이루어지므로 액정을 회절 격자와 일체로 제작하여야 한다. 액정은 문자 그대로 액체의 성질을 띠고 있으므로 액정 용액을 회절 격자와 일체로 제작하고 용액이 흘러내리지 않도록 밀봉하는 어려움이 있다. 액정을 전압을 가할 수 있는 평판형의 기판 사이에 두고 밀봉하는 것은 LCD(Luiquid crystal display)에서 일반화된 기술이나 이는 적어도 수십 mm 이상의 크기의 LCD에서 적절한 방법으로서, 수 mm 이하 크기의 파장 가변 필터를 제작하기에는 어려움이 따른다. 그러므로 회절 격자의 유효 굴절률을 효과적으로 바꿀 수 있으며 용액을 사용하지 않아 제작에 불편함이 없는 파장 가변 필터의 제작이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수직으로 입사하는 빛에 대해 선택된 파장의 빛의 일부 또는 전부를 수직으로 반사하되 선택되는 파장을 가변할 수 있는 파장 가변 필터를 제작함에 있어서 유효 굴절률을 바꾸어주는 방법으로 유동성이 있는 액체를 사용하지 않고 온도 변화에 따라 굴절률이 변화되는 고분자 재료를 이용하여 단일의 부품으로 제작함으로써 조립 및 정렬을 손쉽게 하는 파장 가변 필터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 여러 개의 소자를 일괄 제작한 후 최종적으로 소자를 잘라내는 것으로 파장 가변 필터의 제작이 이루어지도록 함으로써 제작 비용을 절감할 수 있으며, 필터의 각도를 조절하는 특별한 기구물을 이용하지 않고도 파장 가변 필터를 고정 부착할 수 있도록 함으로써 기계적 안정성 및 가격을 저가화할 수 있는 파장 가변 필터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 광흡수율이 낮은 광학적으로 투명한 고분자(polymer) 재료를 사용하여 에탈론 필터 형태의 파장 가변 필터와 고분자 재료를 이용한 회절 격자 무늬에 의한 파장 가변 필터를 제작하며, 에탈론 필터 또는 회절 격자형 필터의 온도를 조절함으로써 온도에 따른 고분자 재료의 굴절률 변화를 이용하여 회절 격자에 의해 선택되는 파장을 변화시키는 방법을 제시한다.
본 발명에 따른 파장 가변 필터는 온도 변화에 따라 굴절률이 변화되는 고분자 재료를 이용하여 여러 개의 필터를 일괄적으로 제작할 수 있으며 최종적으로 큰 기판에서 개별 소자를 잘라내는 것으로 개별소자를 제작 완료하게 함으로써, 각 개별소자별로 용액 밀봉 또는 각도 변화의 방법 등을 포함하는 종래 기술에 비해 간단하고 저렴하게 파장 가변 필터를 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반사형 에탈론 필터 형태의 파장 가변 필터의 단면도를 나타낸 것이다.
반사형 에탈론 필터는 필터의 양면에서 반사하는 빛들이 서로 상쇄/보강 간섭을 거쳐 특정한 파장만을 선택적으로 반사하는 필터이다. 보강간섭이 일어나는 조건은 에탈론 필터의 전면에서 반사하는 빛과 에탈론 필터의 후면에서 반사하는 빛의 위상차가 2π의 정수배의 차이를 보일 때 보강 간섭이 일어난다. 위상차가 2π의 정수배에서 벗어나면 상쇄간섭으로 빛이 없어지는 현상이 발생한다. 에탈론 필터의 전/후면에서 반사하는 빛의 위상차는 에탈론 필터의 두께와 굴절률, 그리고 입사하는 빛의 파장에 의존한다.
여기서 편의를 위해 굴절률이 n인 경우의 에탈론 필터를 고려해보기로 한다. 이 경우 에탈론 필터의 전/후면에서 반사하는 빛의 위상차가 2π의 정수배가 되기 위해서는 에탈론 필터의 두께의 두 배를 입사 빛의 파장으로 나눈 값이 정수배가 되어야 하며 이는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다.
2 × n × d / λ = m
여기에서, m은 정수, n은 매질의 굴절률, d는 에탈론 필터의 두께, λ는 공기중 빛의 파장을 나타낸다.
상기 에탈론 필터의 두께 d는 고정되어 있으므로 에탈론 필터에 의해 선택되는 빛의 파장은 다음의 수학식 2로 표현된다.
λ = 2 × n × d / m
상기 수학식 2에서 m은 어떠한 정수이어도 상관없으며, 굴절률 n과 에탈론 필터의 두께 d는 온도의 함수이므로 선택되는 파장 λ는 온도의 함수가 된다. 에탈론 필터의 재질이 고분자(polymer) 계열일 경우 굴절률의 온도 의존성은 3×10-4/℃ 정도이고, 열팽창률은 1×10-6/℃ 정도이므로 열팽창에 의한 선택 파장 변화는 크지않다. 그러므로 고분자 에탈론 필터의 굴절률 변화량만을 고려할 때 온도에 따른 선택 파장 변화는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008064311816-PAT00001
상기 공기중 빛의 파장 λ가 1.5㎛인 경우를 고려하고, 에탈론 필터 고분자 재료의 굴절률을 1.5라 하며, 고분자 재료 굴절률의 온도의존성을 3×10-4/℃라 하면 고분자 재료인 에탈론 필터에 의해 선택되는 파장의 온도 의존성은 0.3nm/℃가 된다. 그러므로 이러한 특성을 가지는 에탈론 필터의 온도를 100℃ 변화시키면 최대 30nm의 파장 가변이 일어나게 된다. 에탈론 필터의 정밀한 두께 조절에 의해 조절할 수 있는 파장 영역이 통상적으로 10nm 정도이므로 이보다 더 좁은 영역에서의 선택 파장 조절을 온도 변화에 의한 굴절률 변화로 얻는다고 할 때, 온도에 의한 파장 가변 영역의 크기가 ±5nm 이면 되고, 이는 분자 재료 굴절률의 온도 의존성이 5×10-5/℃ 이상일 경우에 달성될 수 있다. 이때 에탈론 필터에 의해 선택되는 빛은 단일 모드 특성을 가지면서 파장이 변화하는 것이 특징이다.
본 발명의 실시예에서 고분자 재료는 광학적으로 투명하며 굴절률의 온도 의존성이 큰 어떠한 물질로도 대체되어 사용될 수 있다. 광학적으로 투명하며 굴절률의 온도 의존성이 큰 물질의 대표적인 구조가 고분자이므로 고분자를 활용하는 것이 본 발명을 효과적으로 실시할 수 있는 방법이 된다. 광학용으로 사용되는 고분자는 여러 가지가 있는데, 그 중의 한 예로 perfluorinated monomer를 이용한 UV curable fluorinated polymer의 경우 광손실이 0.06dB/cm, 굴절률의 온도 의존성이 2.8×10-4/℃ 정도를 보이고 있다. 이러한 특성을 가지는 고분자는 다양한 구조와 생산 공정으로 제작될 수 있는데, 이러한 특성을 가지는 대표적인 고분자는 PMMA(Poly-methyl meth-acrylate), 폴리이미드(polyimides), PFCB(perfluoro cyclo butane), arylene ethers, polyether, acrylate, polysiloxane 등의 재료가 선택될 수 있다.
도 7은 이러한 굴절률의 온도 의존성을 가지는 고분자 재료를 이용한 에탈론 필터 형태의 파장 가변 필터의 구조로서, 파장 가변 필터는 유리 또는 실리콘 등의 기판(110)의 일측면에 제 1 금속 박막(120)과 고분자 재료로 이루어진 고분자 층(130) 및 제 2 금속 박막(140)을 차례대로 증착한 구조로 되어 있고, 기판(110)의 타측면은 전기 저항에 의해 파장 가변 필터의 온도를 조절하는 히터(heater)용 전극인 제 3 금속 박막(150)과 파장 가변 필터의 온도를 측정할 수 있는 써미스터(themistor)(160)가 설치된 구조로 제작된다.
상기 제 1 금속 박막(120)과 제 2 금속 박막(140)은 어떠한 종류의 금속도 가능하나 Au, Ag, Al, Pt, W, Ni 등을 예로 들 수 있다. 제 1 금속 박막(120)은 50nm 이상, 바람직하게는 100nm 이상의 두께로 증착되어 빛의 투과가 없도록 제작된다. 도 7에서 λ로 표시된 넓은 파장대에 걸친 빛이 파장 가변 필터로 입사하는 경우를 고려해보자. 파장 가변 필터의 하부에서 파장 가변 필터로 진행하는 빛의 일부는 제 2 금속 박막(140)에서 일부 반사하고 일부는 투과하여 고분자 층(130)으 로 진행한다. 고분자 층(130)을 투과하여 제 1 금속 박막(120)에 도달하는 빛은 제 1 금속 박막(120)에서 반사하여 제 2 금속 박막(140) 쪽으로 진행 한 후 제 2 금속 박막(140)을 투과하여 처음 제 2 금속 박막(140)에서 직접 반사된 빛과 보강/상쇄 간섭을 일으켜 파장이 선택된다. 결과적으로 제 2 금속 박막(140)과 제 1 금속 박막(120)에서 반사하는 빛들이 보강 간섭을 일으키는 특정한 파장의 λ0 빛만이 최종적으로 파장 가변 필터에서 반사되고 입사 빛 λ에서 반사 빛 λ0을 제외한 나머지 파장 성분은 상쇄 간섭으로 금속에 흡수되어 사라진다. 이때 기판(110)의 타측에 형성된 제 3 금속 박막(150)으로 전류를 흘려주게 되면 제 3 금속 박막(150)에서 발생하는 열에 의해 파장 가변 필터의 온도를 조절할 수 있게 되고, 파장 가변 필터의 온도는 써미스터(160)를 통하여 측정된다. 상기의 구성 및 동작을 통하여 고분자를 이용한 파장 가변 필터의 온도를 조절하여 반사 파장 λ0를 가변시킬 수 있다.
도 7의 파장 가변 필터는 반사성 필터로 빛을 파장에 따라 선택적으로 반사 또는 흡수하므로 파장 가변 필터를 빛이 투과할 수 없는 특성이 있다. 통상적으로 금속은 불투명하나 이는 금속이 두꺼울 경우이며, 금속이 매우 얇아지면 금속도 입사하는 빛에 대해 투과성을 가진다. 이때 빛의 반사 및 투과율은 금속의 두께의 함수가 된다. 통상적으로 금속 박막의 두께가 20~30nm 이내이면 빛의 투과가 일어나고, 금속의 두께가 수백 nm 이상에서는 빛에 대해 불투명해진다. 도 7의 제 1 금속 박막(120)은 50nm 이상의 두께일 경우로 이때에는 빛이 필터를 투과하지 못하고 반 사성 파장 가변 필터가 되는데, 이 제 1 금속 박막(120)을 빛이 일부 투과 일부 반사의 특성을 가지게 함으로써 투과형 파장 가변 필터를 제작할 수 있다.
도 8은 반투과형이며 선택되는 파장을 조절할 수 있는 고분자 재료를 사용한 파장 가변 필터의 나타낸 것이다.
도 8에서 고분자 재료를 이용한 파장 가변 필터는 유리 또는 실리콘 등의 기판(110)의 일측면에 제 1 금속 박막(120)과 고분자 층(130), 제 2 금속 박막(140)을 차례로 증착한 구조로 되어 있고, 상기 기판(110)의 타측면은 전기 저항에 의해 필터의 온도를 조절할 수 있는 히터용 전극인 제 3 금속 박막(150)과 필터의 온도를 측정할 수 있는 써미스터(160)가 설치된다. 이때 제 1 금속 박막(120)의 두께는 50nm 이하, 바람직하게는 30nm 이하가 되도록 하여 빛의 일부가 투과할 수 있도록 제작된다. 제 1 금속 박막(120)과 제 2 금속 박막(140) 및 제 3 금속 박막(150)은 어떠한 금속도 채택이 가능하나 Au, Ag, Pt, Al, Ni, W 등으로 선택되는 것이 바람직하다. 파장 가변 필터의 하부에서 필터로 진행하는 빛의 일부는 제 2 금속 박막(140)에서 일부 반사하고 일부는 투과하여 고분자 층(130)으로 진행한다. 고분자 층(130)을 투과하여 제 1 금속 박막(120)에 도달하는 빛의 일부는 제1 금속 박막(120)을 투과하고 일부는 제 2 금속 박막(140) 쪽으로 반사한다. 제 1 금속 박막(120)과 제 2 금속 박막(140) 및 고분자 층(130)을 포함하는 파장 가변 필터 내에서 빛이 반사에 의해 여러 번 왕복하며 이때마다 일부 빛들이 금속 박막을 투과하며 간섭 현상에 의해 종국적으로 반사 또는 투과하는 빛의 파장을 선택한다. 상쇄되는 파장의 빛은 제 1 금속 박막(120)과 제 2 금속 박막(140)에서 흡수되어 사 라진다. 이때, 제 3 금속 박막(150)으로 전류를 흘려주게 되면 제 3 금속 박막(150)에서 발생하는 열에 의해 필터의 온도를 조절할 수 있게 되고, 필터의 온도는 써미스터(160)를 통하여 측정된다.
이와 같이 고분자를 이용한 파장 가변 필터의 온도를 조절하여 반사 파장을 선택할 수 있다. 즉, 제 1 금속 박막(120)의 두께를 50nm 이상으로 두껍게 하여 제 1 금속 박막(120)이 불투명하게 하면 도 7의 반사형 파장 가변 필터가 되고, 제 1 금속 박막(120)의 두께를 50nm 이하의 두께로 제작하여 반 투과성으로 제작하면 도 8의 투과형 파장 가변 필터가 된다. 도 7의 반사형 파장 가변 필터에서 제 3 금속 박막(150)은 투명도에 아무런 제약이 없으나 도 8의 투과형 파장 가변 필터에서 제 3 금속 박막(150)은 투명하게 증착되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 8의 제 3 금속 박막(150)은 ITO(Indium Tin Oxide), SnOx(Tin Oxide), Zinc Oxide 등의 투명 금속 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 도 7과 도 8에서 제 3 금속 박막(150) 대신 제 2 금속 박막(140)을 필터의 온도 조절을 위한 히터용 전극으로 사용하는 것도 가능하다. 이 경우 제 3 금속 박막(150)은 생략될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자 재료를 사용한 회절 격자 무늬(grating) 형태의 파장 가변 필터를 나타낸 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 회절 격자 무늬형 고분자를 이용한 파장 가변 필터는 먼저 유리 또는 실리콘 등 고려되는 파장의 빛에 대해 투명한 기판(110)에 리 소그라피(lithography) 등의 방법으로 회절 격자 무늬(111)를 형성한다. 광학용 고분자 재료로 이루어진 고분자 층(130)은 상온에서 액체 형상을 가져 스핀 코팅(spin coating) 등의 방법으로 회절 격자 무늬(111)가 새겨진 기판(110)에 코팅된다. 이후 열을 가하거나 자외선 조사 방법에 의해 고분자 층(130)을 경화시킨다. 이렇게 제작된 파장 가변 필터의 고분자 층(130) 반대쪽 기판(110) 표면에 히터용 전극을 위한 투명 금속 박막(150)을 증착하고 전원을 연결하여 히터로 사용한다. 이 투명 금속 박막(150)은 고분자 층(130) 방향의 기판(110) 표면에 형성될 수도 있으며 고분자 층(130) 표면에 직접 형성될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 고분자 층 자체에 회절 격자 무늬를 형성된 일례를 나타낸 것이다.
도 10에서는 기판(110)에 고분자 층(130)의 재료를 도포한 후 임프린팅(imprinting)의 방법으로 고분자 층(130) 자체에 회절 격자 무늬(111)를 형성하게 된다. 이러한 방법에서는 마스터(master) 회절 격자를 이용한 임프린팅(imprinting) 방법으로 고분자 층(130)에 회절 격자 무늬(111)를 형성할 수 있으므로, 회절 격자 무늬(111)를 형성하기 위한 리소그라피(lithography)가 마스터(master) 회절 격자를 형성하는데 1회만 사용되어 격자 제작 비용이 줄어드는 장점이 있다. 그러나 도 10의 경우 회절 격자 무늬(111)가 외부에 노출되기 때문에 격자 사이에 이물질이 쉽게 부착되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
도 11은 상기 도 10의 문제점을 해결하기 위한 것으로 고분자 층 사이에 회절 격자 무늬를 형성된 일례를 나타낸 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 먼저 기판(110)에 제 1의 굴절률을 가지는 고분자 재료로 이루어진 고분자 층(130)을 증착하고, 이 고분자 층(130)에 회절 격자 무늬(111)를 형성한다. 이때 회절 격자 무늬(111)는 임프린팅(imprinting)의 방법을 사용하여 제작될 수 있다. 경화가 끝나 회절 격자 무늬(111)가 완성된 제 1의 고분자 층(130)에 제 2의 고분자 재료 물질을 스핀 코팅(spin coating) 등의 방법으로 코팅하여 제 2의 고분자 층(135)을 형성한다. 이후 열 또는 자외선 조사의 방법으로 제 2의 고분자 층(135)을 경화시키면 제 1,2의 고분자 층(130)(135) 사이에 회절 격자 무늬(111)가 형성된 파장 가변 필터가 제작된다.
상기 제 1,2의 고분자 층(130)(135)의 재료는 굴절률이 서로 다르게 형성되는데, 통상적으로 고분자 재료의 굴절률은 1.3에서 1.6 정도의 범위 내에 있으므로 굴절률 차이가 있는 어떤 조합의 고분자들도 제 1의 고분자 층(130)과 제 2의 고분자 층(135)에 활용될 수 있다.
도 8 내지 도 11의 일부 투과/일부 반사형 파장 가변 필터에서 파장의 선택은 회절 및 간섭 현상에 의해 나타나지만 최종적인 투과 및 반사율은 구조 전체의 투과/반사율에 의해 결정된다. 도 8의 금속 박막을 사용하는 경우 금속 박막의 두께를 조절하여 투과/반사 비율을 설정할 수 있지만, 도 9 내지 도 11 구조의 회절 격자 무늬에서는 각 계면의 굴절률 차이에 의한 투과/반사 비율의 총합으로 최종적인 투과/반사 비율이 정하여 진다. 본 발명에 주요하게 사용될 유리 기판의 경우 굴절률이 1.5 정도이고 고분자의 굴절률 또한 1.3~1.7 정도의 값을 가지므로 도 9 내지 도 11의 구조에서는 대부분의 빛이 투과형으로 나타나고 반사는 극히 일부에 그치게 된다. 굴절률이 1.5인 고분자 층과 굴절률이 1.5인 유리 기판을 기준으로 할 때 공기와 고분자 층 사이의 굴절률 차이에 의한 반사율은 4%이고, 고분자의 굴절률과 유리의 굴절률에 차이가 없으므로 고분자/유리 계면에서는 반사가 없게 된다. 그러므로 최종적으로 선택된 파장의 4% 만이 원래 입사하였던 빛의 방향으로 되돌아가게 된다. 본 발명의 중요한 응용예인 외부 공진기형 레이저에서는 이 반사 비율이 수십 %로 높아져야 할 필요가 있는데, 도 12는 이러한 투과형 파장 가변 필터에서 반사율을 조절할 수 있는 일례를 나타낸 것이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 투과형 파장 가변 필터에서 반사율을 조절하기 위하여 기판(110)과 고분자 층(130) 사이에 반사율을 조절하는 박막(115)이 삽입된다. 반사율을 조절하는 박막(115)은 두께 수십 nm 이내의 금속 박막 또는 굴절률이 높고 낮은 복수의 유전체 박막으로 제작되는 것이 바람직하다. 도 12는 51%의 반사율을 가지는 반사율 조절용 박막(115)이 삽입되었을 때 입사한 빛의 투과 및 반사 비율을 도시한 것으로, 상부에서 하부의 방향으로 빛의 움직임이 이루어지게 된다. 먼저, 100%의 비율로 입사하는 빛이 공기/고분자 재료의 계면에서 4%의 빛은 반사하고 96%의 빛은 투과한다. 투과한 96%의 빛 중 51%는 반사율 조절용 박막(115)에서 투과하여 최종적으로 100%의 빛에 대해 49%의 빛이 반사율 조절용 박막(115)을 투과하고, 100%의 빛에 대해 47%의 빛이 회절 격자 무늬(111) 방향으로 반사한다. 이런 과정을 여러 번 반복하면 최종적으로 필터에서 반사되는 빛의 총합이 50%이며 투과되는 빛이 50%가 되도록 만들 수 있다. 이러한 반사율 조절용 박막(115)은 도 12에서와 같이 고분자 층(130)과 기판(110) 사이에 삽입될 수 있으며, 기판(110)의 고분자 층(111) 반대쪽 면에 형성될 수도 있다. 또한, 회절 격자 무늬(111)에 직접 반사율을 조절하는 금속 박막을 더 증착하는 방법도 상기한 반사율 및 투과율을 조절할 수 있는 방법 중 하나이다.
도 13은 도 11의 구조에서 제 1,2 고분자 층 사이에 반사율이 조절된 반투과 금속 박막을 코팅된 일례를 나타낸 것이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 회절 격자 무늬(111)가 형성된 제 1의 고분자 층(130)에 반사율이 조절된 반투과 금속 박막(115)을 코팅하고 이후 제 2 고분자 층(135)을 코팅하게 된다. 이러한 경우 제 1 고분자 층(130)과 제 2 고분자 층(135)의 굴절률은 같아도 상관없다.
도 8 내지 도 13의 투과형 파장 가변 필터에서 필터의 가열을 투명 금속 박막을 이용하여 실시하는 것으로 하였는데 이는 불투명한 금속의 패턴을 이용하여도 가능하다. 도 14는 도 8 내지 도 13의 투명 금속 박막을 투과 빛이 주로 통과하는 부분은 비워둔 채로 그 외의 부분에 금속 또는 금속 산화물 박막(155)을 증착하여 히터용 전극으로 사용하는 일례를 나타낸 것이다.
상기 도 7 내지 도 14에서 설명된 파장 가변 필터의 기판 등에는 무반사 증착 등이 이루어질 수 있음은 당연하다. 또한, 상술한 실시예의 설명에서는 수직 입사 빛에 대해 수직 반사 또는 수직 투과하는 빛에 대해 설명하였으나 필터에 일정 각도를 가지고 입사하거나 필터에서 일정 각도를 가지고 반사 또는 투과하는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 당연하다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에서는 필터에 부착된 히터용 금속 박막 등을 이용하여 파장 가변 필터의 온도를 변화시키는 방법을 예시하였으나 다른 방법으로 필터의 온도를 바꾸어 주는 방법도 본 발명의 다른 실시예에 포함된다. 즉 본 발명의 변형 실시예로 히터용 금속 박막 등을 내장하지 않은 파장 가변 필터를 열전소자 위에 올려놓고 열전소자의 온도를 바꾸어 필터의 선택 파장을 바꾸어 주는 방법이 적용될 수 있는 것으로 이러한 방법 또한 본 발명의 다른 실시예에 포함됨은 당연하다.
도 1은 종래의 평판형 에탈론 파장 선택 필터의 일례,
도 2는 종래의 평판형 에탈론 필터를 이용한 외부 공진기형 레이저의 배치도 일례,
도 3은 종래 유전체 박막 양 측면에 금속 박막을 증착하여 특정한 파장의 빛만 반사하는 반사형 에탈론 파장 선택 필터의 개념도,
도 4는 종래 회절 격자를 이용한 평판형 파장 선택 필터에서 빛의 파장에 따른 반사 및 투과각을 나타낸 일례,
도 5a는 종래 액정과 회절 격자 무늬를 이용한 파장 가변 필터의 구성도,
도 5b는 종래 액정과 회절 격자 무늬를 이용한 파장 가변 필터를 이용한 외부 공진기형 레이저의 구성도,
도 6은 종래 액정과 회절 격자 무늬를 이용한 파장 가변 필터를 이용한 레이저에서의 파장 가변 스펙트럼(spectrum) 일례,
도 7은 본 발명에 따라 수직으로 입사한 빛에 대해 가변되어 선택된 파장의 빛을 수직으로 반사하는 특성을 갖는 고분자를 이용한 평판형 파장 가변 필터의 개념도,
도 8은 본 발명에 따라 수직으로 입사한 빛에 대해 가변되어 선택된 파장의 빛을 수직으로 일부투과/일부반사의 특성을 갖는 고분자를 이용한 평판형 파장 가변 필터의 개념도,
도 9는 본 발명에 따른 기판에 형성된 회절 격자 무늬를 이용한 파장 가변 필터의 개념도,
도 10은 본 발명에 따른 고분자 층에 형성된 회절 격자 무늬를 이용한 파장 가변 필터의 개념도,
도 11은 본 발명에 따른 제 1의 굴절률을 가지는 고분자 층과 제 2의 굴절률을 가지는 고분자 층 사이에 매립된 회절 격자 무늬를 갖는 파장 가변 필터의 개념도,
도 12는 본 발명에 따라 반사율 조절용 박막이 삽입된 파장 가변 필터에서 빛의 경로에 따른 빛의 흐름 비율을 나타낸 개념도,
도 13은 본 발명에 따른 고분자 층내에 금속 격자 무늬를 포함하는 파장 가변 필터의 개념도,
도 14는 도 8 내지 도 13의 투명 금속 박막을 빛이 통과하는 영역은 제외하고 빛이 통과하지 않는 영역에 금속 패턴을 형성한 일례를 나타낸 것이다.

Claims (21)

  1. 수직 입사하는 빛 중에서 특정한 파장의 빛을 수직으로 전부 반사하거나 일부투과/일부반사하는 특성을 갖는 파장 가변 필터에 있어서,
    상기 파장 가변 필터에는 기판(110)에 고분자(polymer) 재료가 증착된 고분자 층(130)이 형성되고, 상기 고분자 층(130)의 온도가 조절되어 온도 변화에 따른 고분자 재료의 굴절률 변화를 이용하여 파장 가변 필터에 수직으로 입사하는 빛 중 수직으로 전부 반사하거나 일부투과/일부반사하는 파장이 조절되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 층(130)의 재료는 굴절률의 온도 의존성이 5 × 10-5/℃ 이상인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 층(130)의 재료는 PMMA(Poly-methyl meth-acrylate), 폴리이미드(Polyimides), PFCB(Perfluoro cyclo butane), arylene ethers, polyether, acrylate, polysiloxane 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터는 에탈론 필터 형태의 평판형인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터는 기판(110)의 일측면에 제 1 금속 박막(120) 또는 유전체 박막, 고분자 층(130), 제 2 금속박막(140) 또는 유전체 박막이 차례로 증착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유전체 박막은 단층 또는 굴절률이 높고 낮은 복층의 유전체 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 파장 가변 필터의 제 2 금속 박막(140)에 전원이 연결되어, 상기 제 2 금속 박막(140)에 공급되는 전원에 의한 고분자 층(130)의 온도가 조절되어 굴절률이 변화되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터는 일측면에 고분자 층(130)이 증착된 기판(110)의 타측에 제 3 금속 박막(150)이 증착되고, 이 제 3 금속 박막(150)에 전원이 연결되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 3 금속 박막(150)은 Indium Tin Oxide, Tin Oxide, Zinc Oxide 중 어느 하나의 투명 금속 산화물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터는 회절 격자 무늬 형태의 평판형인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터는 기판(110) 일측면에 회절 격자 무늬(111)가 형성되고, 상기 회절 격자 무늬(111)에 밀착하여 고분자 층(130)이 증착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터는 기판(110) 일측면에 회절 격자 무늬(111)가 형성된 고분자 층(130)이 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 고분자 층(130)에 형성된 회절 격자 무늬(111)는 마스터(Master) 기판을 이용한 임프린팅(Imprinting) 기법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 회절 격자 무늬(111)가 형성된 고분자 층(130)에 상기 고분자 층(130)과 굴절률이 다른 제 2의 고분자 층(135)이 증착되어 회절 격자 무늬(111)가 매립되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 회절 격자 무늬(111)가 형성된 고분자 층(130)에 금속 박막(115)이 증착되고, 상기 금속 박막(115)에 제 2의 고분자 층(135)이 증착되어 회절 격자 무늬(111)가 매립되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  16. 제 11항, 제12항, 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 격자 무늬(111)의 일측면에 반사율 조절용 금속 박막(115)이 더 증착되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  17. 제 11항, 제12항, 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일측면에 고분자 층(130)이 증착된 기판(110)의 타측면이나 고분자 층(130) 표면에 히터용 전극인 금속 박막(150)이나 금속 산화물 박막이 증착되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터에는 파장 가변 필터의 온도를 측정하기 위한 써미스터(thermistor)(160)가 부착되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  19. 제 7항 또는 17항에 있어서,
    상기 금속 박막(150) 또는 금속 산화물 박막은 빛이 통과하지 않는 영역에 금속 패턴(155)이 형성되어, 이 금속 패턴(155)에 전원이 연결되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  20. 제 5항, 제 11항, 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(110)은 glass, quartz, silicon, AlN, Al2O3, BeO, InP, GaAs, sapphire, ZnSe 중 어느 하나의 재질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터는 열전소자 위에 배치되어 열전소자의 온도 변화에 따라 파장 선택성이 달라지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
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