KR20190114684A - 광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법 - Google Patents

광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법 Download PDF

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Abstract

광 궤도각 운동량 발생기는 일 방향으로 연장되는 도파로(waveguide) 및 상기 도파로를 가로지르는 방향과 평행한 방향으로 중심축을 갖는 링 공진기(ring resonator)를 구비하고 링 공진기는 상기 중심축에 수직한 일 면에 형성되는 돌출 격자를 구비한다.

Description

광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법{A device and a method for generating light carrying orbital angular momentum}
실시예들은 광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 더 높은 방사 효율을 갖는 광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법에 관한 것이다.
궤도각운동량(Orbital Angular Momentum; OAM)은 광자 혹은 전자가 궤도 운동을 할 때 가질 수 있는 각 운동량이다. 궤도각운동량을 갖는 빛(광자)은 빛의 진행방향으로 나선형태로 회전하는 파면을 갖는다.
이 때, 빛(또는 광자)은 이론상으로 무한대의 궤도각운동량을 가질 수 있다. 이러한 특성을 이용하면 사용 가능한 통신 채널의 수를 증가시킬 수 있어 통신 분야에 주요하게 이용될 수 있다. 또한 궤도각운동량을 갖는 빛은 상술한 특성을 통하여 양자계산 분야에도 응용될 수 있기 때문에 잠재성이 큰 연구분야이다.
도 1은 종래의 광 궤도각운동량 발생기를 도시한 사시도이다.
빛이 궤도각운동량을 갖도록 하려면 빛의 진행방향에 수직인 평면상에서 위상을 변화시키면 된다. 대표적인 예시로서, 도 1에 도시된 종래 기술인 링 공진기의 내측면에 격자를 구비하는 광 궤도각운동량 발생기가 보고된 바 있다. 종래의 광 궤도각운동량 발생기는 링 공진기와 도파로(wave guide)를 구비한다.
종래의 광 궤도각운동량 발생기의 링 공진기는 링 공진기의 중심축을 바라보는 내측면에 측면 격자를 구비한다. 측면 격자는 링 공진기의 내측면으로부터 돌출되어 링 공진기의 중심축을 향한다. 종래의 링 공진기는 중심축 방향으로 대칭성을 갖는다.
내측면에 측면 격자를 구비하는 링 공진기를 구비하는 종래의 광 궤도각운동량 발생기에 의하면, 링 공진기 내부에서 공진하며 갇혀 있던 빛이 링 공진기의 측면 격자에 의해 링 공진기로부터 탈출할 수 있다.
탈출된 빛은 링 공진기의 중심축을 따라 방사한다. 이러한 광 궤도각운동량 발생기는 수 마이크로미터의 수준으로 소형화 할 수 있는 장점이 있다.
종래의 링 공진기는 링 공진기의 내측면에 측면 격자를 구비하기 때문에 중심축 방향으로 완벽한 대칭성을 갖는다. 따라서 링 공진기의 누설률(leak rate)은 방사 방향에 영향을 받지 않고 동일하다.
링 공진기의 누설률(leak rate)은 중심축을 따라 빛이 방사되는 방향 중 하나인 제 1 방향과 제 1 방향에 반대측의 제 2 방향에 대해서 서로 동일하고 이에 따른 방사 효율(radiation efficiency) 또한 제 1 방향 및 제 2 방향과 무관하게 동일하다.
기존 광 궤도각운동량 발생기의 구조에 따른 상술한 특성으로 인하여 궤도각운동량의 방사 효율(radiation efficiency)은 최대 50%를 넘을 수 없는 한계가 존재한다.
실시예들은 향상된 광 방사 효율을 갖는 광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법을 제공한다.
실시예들은 중심축 방향으로 비대칭성 구조를 갖는 링 공진기 구비한 광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법을 제공한다.
실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기는 광 궤도각운동량 발생기에 자유롭게 방향성을 부여함으로써 높은 방사 효율을 얻는다.
실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기는 일 방향으로 연장되는 도파로(waveguide) 및 상기 도파로가 연장되는 방향을 가로지르는 방향을 향하는 중심축에 대해 원주방향으로 연장하는 링 공진기(ring resonator)를 구비한다. 이 때 빛은 도파로로 입사하여 링 공진기로 진행한다. 또한, 링 공진기는 중심축의 일 방향을 향하는 일 면에 형성되는 돌출 격자를 구비할 수 있다.
링 공진기는 도파로로부터 이격되어 위치할 수 있다.
돌출 격자의 각각은 링 공진기의 연장방향을 따라 서로에 대하여 이격되어 링 공진기의 일 면에 위치할 수 있다.
광 궤도각운동량 발생기는 공기 또는 유리(glass) 기판에 의해 둘러싸일 수 있다.
링 공진기는 링 공진기에 입사한 빛을 일 면이 바라보는 제 1 방향과 일 면의 반대측의 타 면이 바라보는 제 2 방향으로 방사하되, 광 궤도각운동량 발생기의 방사 효율(radiation efficiency)은 제 1 방향과 제 2 방향에서 서로 상이할 수 있다.
링 공진기 및 도파로는 규소를 포함할 수 있다.
실시예들에 관한 방향성을 갖는 광 궤도각운동량 발생기 및 및 광 궤도각운동량 발생 방법에 의하면 링 공진기의 중심축의 연장 방향 중 일 방향을 향하는 일 면에 돌출 격자를 구비하므로 궤도각운동량을 갖는 빛의 방사 효율을 특정 방향으로 증가시킬 수 있다.
또한 실시예들에 관한 광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법에 의하면 링 공진기의 구조 및 파라미터(예를 들어 링 공진기의 직경, 돌출 격자의 형상, 돌출 격자의 높이, 돌출 격자의 개수, 돌출 격자 간 이격 간격)를 조절하여 다양한 상태의 궤도각운동량을 발생시킬 수 있고 원하는 방향으로 빛의 방사 효율을 제어할 수 있다.
도 1은 종래의 광 궤도각운동량 발생기를 도시한 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기를 도시한 사시도이다.
도 3a의 도 2에 도시된 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기에 의해 방사된 빛(광자)의 방사 효율을 파장에 대하여 나타낸 그래프이다.
도 3b는 도 2에 도시된 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기에 의해 방사된 빛이 궤도각운동량(OAM)을 갖는 것을 시각적으로 도시한 이미지이다.
도 3c는 도 1의 광 궤도각운동량 발생기에 의해 방사된 빛의 방사 효율을 파장에 대하여 나타낸 이미지이다.
도 4는 공기 또는 유리(glass) 기판에 의해 둘러싸인 광 궤도각운동량 발생기를 도시한 정면도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 일 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
명세서에서 사용되는 '구비한다(comprises)' 및/또는 '구비하는(comprising)'은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 2는 일 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기를 도시한 사시도이다.
광 궤도각운동량 발생기(100)는 링 공진기(ring resonator; 10)와 도파로(wave guide; 20)를 구비한다. 링 공진기(10)는 도파로의 연장방향을 가로지르는 방향을 향하는 중심축에 대해 원주방향을 따라 연장하는 링 형상을 갖는다. 링 공진기(10)와 도파로(20)는 설정된 간격만큼 서로에 대해 이격되어 위치한다.
링 공진기(10)는 링 공진기(10)의 중심축의 연장방향의 일 방향을 향하는 일 면(11)에 형성되는 돌출 격자(15)를 구비할 수 있다. 일 면(11)이 향하는 방향은 링 공진기(10)의 중심축의 연장방향에 대해 대략 평행한 방향일 수 있다. 돌출 격자(15) 각각은 링 공진기(10)의 원주방향을 따라 서로에 대해 일정한 간격만큼 이격되며 링 공진기의 일 면(11)에 형성된다.
링 공진기(10) 및 도파로(20)는 모두 규소(Si)를 포함할 수 있다. 광 궤도각운동량 발생기(100)는 공기 또는 유리(glass) 기판에 의해 둘러싸일 수 있다. 이 때 규소의 굴절률(nSi)은 3.45이고, 유리 기판의 굴절률(nglass)은 1.45이다.
광 궤도각운동량 발생기(100)는 방사된 빛(광자)이 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum; OAM)을 가질 수 있도록 한다. 궤도각운동량을 갖는 빛은 빛의 진행방향으로 나선형태로 회전하는 파면을 갖는다.
일 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기(100)의 링 공진기(10)는 돌출 격자(15)를 일 면(11) 상에 구비하기 때문에 광 궤도각운동량 발생기(100)의 돌출 격자(15)의 배치 구조에서 대칭성을 제거함으로써 비대칭성 구조의 돌출 격자(15)의 배치 구조를 갖는다.
광 궤도각운동량 발생기(100)는 도파로(20)를 통하여 입사된 빛이 링 공진기(10)로 진행한 후 링 공진기(10)의 중심축이 향하는 방향 중 돌출 격자(15)가 형성된 일 면(11)이 바라보는 제 1 방향 및 일 면(11)의 반대측의 타 면(12)이 바라보는 제 2 방향으로 방사되도록 설계된다.
링 공진기(10)의 돌출 격자(15)에 의한 구조적 비대칭성은 링 공진기(10)의 제 1 방향과 제 2 방향의 누설률(leak rate)의 차이를 구현한다 링 공진기(10)의 제 1 방향과 제 2 방향의 누설률의 차이로 인해 링 공진기의 제 1 방향과 제 2 방향의 방사 효율(radiation efficiency)이 서로 달라진다. 제 1 방향과 제 2 방향의 비대칭적인 방사 효율로 인하여 광 궤도각운동량 발생기(100)는 최적 방사 효율을 달성할 수 있다.
도 3a은 도 2에 도시된 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기(100)에 의해 방사된 빛(광자)의 방사 효율을 파장에 대하여 나타낸 그래프이다.
일 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기(100)의 방사 효율은 격자의 위치나 링 공진기(10)의 다른 파라미터에 의해 제 2 방향으로 더 클 수 있다. 하지만, 도 2에 도시된 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기(100)에서는 돌출 격자(15)가 형성된 일 면이 바라보는 제 1 방향으로의 광 궤도각운동량 발생기(100)의 방사 효율이 최대화되도록 최적화되었다.
도 3a의 그래프의 가로축은 파장, 세로축은 방사 효율을 나타낸다. 그래프에서 알 수 있듯이, 실험값에서 일 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기(100)에 의해 방사된 빛의 방사 효율은 최대 78%인 것을 알 수 있다.
도 3b는 도 2에 도시된 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기(100)에 의해 방사된 빛이 궤도각운동량(OAM)을 갖는 것을 시각적으로 도시한 이미지이다.
도 3b를 참조하면 궤도각운동량을 갖는 빛(광자)은 빛의 진행방향을 따라 나선형태로 회전하는 파면을 갖는다. 광 궤도각운동량 발생기(100)로부터 방사된 빛의 크기와 위상 정보로부터 궤도각운동량을 확인할 수 있다.
도 3c는 도 2의 종래의 광 궤도각운동량 발생기에 의해 방사된 빛의 방사 효율을 파장에 대하여 나타낸 그래프이다.
종래의 링 공진기는 링 공진기의 내측면에 형성된 측면 격자(5)를 가지기 때문에 중심축에 대해서 대칭성을 갖는다. 따라서 링 공진기의 누설률(leak rate)은 빛이 방사하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해서 동일하고 이에 따른 방사 효율(radiation efficiency) 또한 방향과 무관하게 동일하다. 따라서, 방사효율은 최대 50%를 넘을 수 없다.
도 3c에 도시된 그래프의 가로축은 파장, 세로축은 방사 효율을 나타낸다. 그래프에 도시된 바와 같이, 종래의 광 궤도각운동량 발생기에 의해 방사된 빛의 방사 효율은 최대 39%에 그치는 것을 알 수 있다.
일 실시예에 관한 광 궤도각운동량 발생기(100)의 링 공진기(10)는 링 공진기(10)의 중심축의 연장 방향의 일 방향을 향하는 일 면(11)에 돌출 격자를 구비한다.
링 공진기(10)의 돌출 격자(15)에 의한 구조적 비대칭성은 링 공진기의 일 면(11)이 바라보는 제 1 방향과 일 면(11)에 반대측의 타 면(12)이 바라보는 제 2 방향의 사이에서 누설률(leak rate)의 차이를 구현한다.
링 공진기(10)의 제 1 방향과 제 2 방향의 누설률의 차이로 인해 링 공진기(10)의 제 1 방향과 제 2 방향의 방사 효율이 서로 달라진다. 방사 효율은 비대칭적으로 발생하고 비대칭적 방사 효율의 결과 최적의 방사 효율을 달성할 수 있다.
도 4는 공기 또는 유리(glass) 기판에 의해 둘러싸인 광 궤도각운동량 발생기(100)를 도시한 정면도이다.
광 궤도각운동량 발생기(100)의 링 공진기(10) 및 도파로(20)는 빛이 방사하여 통과할 수 있는 다양한 물질에 의해 둘러싸일 수 있고, 예를 들어 물질은 공기 또는 유리 기판일 수 있다.
이 때, 링 공진기(10)의 일 면(11)이 바라보는 제 1 방향과 일 면(11)에 반대측의 타 면(12)이 바라보는 제 2 방향은 동일한 물질에 의해 둘러싸일 수 있다. 예를 들어 제 1 방향 및 제 2 방향 모두 유리 기판에 의해 둘러싸일 수 있다.
또한 링 공진기(10)의 일 면(11)이 바라보는 제 1 방향과 일 면(11)에 반대측의 타 면(12)이 바라보는 제 2 방향은 서로 상이한 물질에 의해 둘러싸일 수 있다. 예를 들어 제 1 방향은 공기에 의해, 제 2 방향은 유리 기판에 의해 둘러싸일 수 있다.
일 실시예에 관한 방향성을 갖는 광 궤도각운동량 발생기(100)에 의해서 궤도각운동량을 갖는 빛의 방사 효율을 특정 방향으로 크게 증가시킬 수 있다. 링 공진기(10)의 구조 및 파라미터(예를 들어 링 공진기의 직경, 돌출 격자의 형상, 돌출 격자의 높이, 돌출 격자의 개수, 돌출 격자 간 이격 간격)를 조절하여 다양한 상태의 궤도각운동량을 발생시킬 수 있고 원하는 방향으로 빛의 방사 효율을 제어할 수 있다.
빛(또는 광자)은 이론상으로 무한대의 궤도각운동량을 가질 수 있기 때문에 사용 가능한 통신채널의 수를 증가시킬 수 있다. 이러한 특성을 응용하여 광통신 분야에 이용될 수 있다. 또한 상술한 특성들은 양자계산 분야에도 응용될 수 있다. 더욱이, 광통신 및 양자계산 분야는 산업 및 국방 상으로도 유용하게 사용될 수 있다.
일 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
5: 측면 격자
10: 링 공진기
11: 링 공진기의 일 면
12: 링 공진기의 타 면
15: 링 공진기의 돌출 격자
20: 도파로
100: 광 궤도각운동량 발생기

Claims (7)

  1. 일 방향으로 연장하며 빛이 입사되는 도파로(waveguide); 및
    상기 도파로의 연장 방향을 가로지르는 방향을 향하는 중심축에 대해 원주방향으로 연장하며 상기 중심축의 일 방향을 향하는 일 면에 형성되는 돌출 격자를 구비하는 링 공진기(ring resonator);를 구비하는,
    광 궤도각운동량 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공진기는 상기 도파로로부터 이격되어 위치하는, 광 궤도각운동량 발생기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출 격자의 각각은 상기 링 공진기의 연장 방향을 따라 서로에 대하여 이격되는, 광 궤도각운동량 발생기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 궤도각운동량 발생기는 공기 또는 유리(glass) 기판에 의해 둘러싸인, 광 궤도각운동량 발생기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공진기는 상기 링 공진기에 입사한 빛을 상기 일 면이 바라보는 제 1 방향과 상기 일 면의 반대측의 타 면이 바라보는 제 2 방향으로 방사하되, 상기 광 궤도각운동량 발생기의 방사 효율(radiation efficiency)은 상기 제 1 방향과 상기 제 2 방향에서 서로 상이한, 광 궤도각운동량 발생기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공진기 및 상기 도파로는 규소(Si)를 포함하는, 광 궤도각운동량 발생기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 광 궤도각운동량 발생기에 의한 궤도각운동량을 갖는 빛의 생성 방법.
KR1020180037764A 2018-03-30 2018-03-30 광 궤도각운동량 발생기 및 광 궤도각운동량 생성 방법 KR102098861B1 (ko)

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