KR20220008606A - 마하-젠더 간섭계 및 이를 이용한 센서 - Google Patents

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Abstract

코어부와 클래딩부를 포함하는 제1 도파로(waveguide); 상기 제1 도파로와 접속되는 간섭부(interference portion); 및 상기 간섭부와 접속되며, 상기 코어부와 상기 클래딩부를 포함하는 제2 도파로를 포함하고, 상기 제1 도파로, 상기 간섭부 및 상기 제2 도파로에 의해서 제1 곡률을 가지는 제1 경로, 상기 제1 경로와 연결되며 상기 제1 곡률과 극성(sign)이 반대인 제2 곡률을 가지는 제2 경로 및 상기 제2 경로와 연결되며 상기 제2 곡률과 극성이 반대인 제3 곡률을 가지는 제3 경로가 생성되고, 상기 간섭부는 상기 제2 경로에 배치되는 것인 마하-젠더 간섭계가 제공된다.

Description

마하-젠더 간섭계 및 이를 이용한 센서{MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER AND SENSOR USING THE SAME}
본 개시(開示)는 마하-젠더 간섭계 및 이를 이용한 센서에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 부피를 최소화하면서도 온도 변화에 따른 파장의 변화를 최소화할 수 있는 마하-젠더 간섭계 및 이를 이용하여 온도 변화에 무관하게 굴절률 및 압력과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 있는 센서에 관한 것이다.
마하-젠더 간섭계는 코어부와 클래딩부의 광 경로 차이를 이용하여 구현된다. 마하-젠더 간섭계는 예컨대 물리량의 변화를 측정하기 위한 센서로서 사용되거나 광학 변조기로서 사용될 수 있다. 마하-젠더 간섭계는 예컨대 광 섬유를 기반으로 제조되거나 반도체 제조 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 그러나 마하-젠더 간섭계는 기존의 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)에 비해서 구조가 복잡하고 공간적인 제약점이 있다는 단점이 있다.
이를 개선하기 위해서, 예컨대 광 섬유 내에서 코어부와 클래딩부의 구조를 변경한 마하-젠더 간섭계가 이용될 수 있다.
예컨대, 코어부와 클래딩부를 포함하는 단일 모드 광 섬유(single-mode fiber, 이하 "SMF"라고도 지칭됨)에 클래딩부를 포함하는 노코어 광섬유(no-core fiber, 이하 "NCF"라고도 지칭됨)를 접합한 마하-젠더 간섭계가 이용될 수 있다. 즉 제1 SMF-NCF-제2 SMF 순으로 접합된 마하-젠더 간섭계가 이용될 수 있다.
예컨대 제1 SMF의 코어부를 통하여 진행하던 광은 NCF를 통과하면서 경로 차이가 발생하고 다시 제2 SMF의 코어부로 입사한다. NCF에서의 경로 차이에 의해서 광 모드(mode) 사이에 간섭이 발생하고, 상기 간섭에 의해서 광의 파장 스펙트럼의 변화가 발생한다. 특정 조건하에서 파장 스펙트럼의 딥(dip)이 발생하고, 상기 딥을 이용하여 외부 환경의 변화, 예컨대 온도, 굴절률 및 압력과 같은 물리량을 측정할 수 있다.
그러나 종래의 제1 SMF-NCF-제2 SMF 순으로 접합된 마하-젠더 간섭계는, 마하-젠더 간섭을 발생시키기 위해서는, 특히 NCF의 길이가 미리 지정된 임계값보다 커야 한다는 단점을 가진다. 예컨대, NCF의 길이는 수cm이상이 되어야 한다. 따라서, 마하-젠더 간섭계의 크기가 증가한다. 또한 종래의 제1 SMF-NCF-제2 SMF 순으로 접합된 마하-젠더 간섭계는 온도에 따른 파장 특성의 변화가 매우 크다는 단점도 있다. 따라서, 주위 온도가 변화하면, 굴절률 및 압력과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 없다는 단점도 있다.
제1 SMF-NCF-제2 SMF 순으로 접합된 마하-젠더 간섭계를 일부 변형한 구조도 개발되고 있다.
예컨대, 연세대학교 산학협력단에 의해서 출원되고 2010년 8월 30일자로 공개된 한국 공개특허공보 제10-2010-0095252호에 따르면, NCF 대신에 위상차를 가지는 두 개 이상의 광 경로를 생성할 수 있는 공동부(즉, 코어부의 전부 및 클래딩부의 일부를 제거한 부분)를 포함하는 기술이 개시된다.
그러나, 한국 공개특허공보 제10-2010-0095252호에 따른 마하-젠더 간섭계에서도, 공동부의 길이가 미리 지정된 임계값보다 커야 한다는 단점과 온도에 따른 파장 특성의 변화가 매우 크다는 단점이 있다.
한편 반도체 공정을 이용하여 마하-젠더 간섭계를 제조할 수도 있다.
예컨대, 한국전자통신연구원에 의해서 출원되고 2017년 6월 23일자로 공개된 한국 공개특허공보 제10-2017-0071074호에 따르면, 기판 상에 불순물을 도핑하고 패터닝하는 공정을 수행하여 코어부와 클래딩부를 형성하는 기술이 개시된다.
그러나, 한국 공개특허공보 제제10-2017-0071074호에 개시된 기술을 이용하여, 제1 SMF-NCF-제2 SMF 순으로 접합된 마하-젠더 간섭계에 대응하는 구조(즉 코어부와 클래딩부를 포함하는 제1 부분, 클래딩부를 포함하는 제2 부분 및 코어부와 클래딩부를 포함하는 제3 부분을 포함하는 마하-젠더 간섭계)를 제조하는 경우라도, 제2 부분의 길이가 미리 지정된 임계값보다 커야 한다는 단점과 온도에 따른 파장 특성의 변화가 매우 크다는 단점이 있다.
1. 한국 공개특허공보 제10-2010-0095252호. 2. 한국 공개특허공보 제10-2017-0071074호.
본원에서 설명되는 기술의 목적은, 부피를 최소화하면서도 온도 변화에 따른 파장의 변화를 최소화할 수 있는 마하-젠더 간섭계 및 이를 이용하여 온도 변화에 무관하게 굴절률 및 압력과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 있는 센서를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본원에서 설명되는 기술의 일 형태에 따르면, 코어부와 클래딩부를 포함하는 제1 도파로(waveguide); 상기 제1 도파로와 접속되는 간섭부(interference portion); 및 상기 간섭부와 접속되며, 상기 코어부와 상기 클래딩부를 포함하는 제2 도파로를 포함하고, 상기 제1 도파로, 상기 간섭부 및 상기 제2 도파로에 의해서 제1 곡률을 가지는 제1 경로, 상기 제1 경로와 연결되며 상기 제1 곡률과 극성(sign)이 반대인 제2 곡률을 가지는 제2 경로 및 상기 제2 경로와 연결되며 상기 제2 곡률과 극성이 반대인 제3 곡률을 가지는 제3 경로가 생성되고, 상기 간섭부는 상기 제2 경로에 배치되는 것인 마하-젠더 간섭계가 제공된다.
본원에서 설명되는 기술에 따르면, 부피를 최소화하면서도 온도 변화에 따른 파장의 변화를 최소화할 수 있는 마하-젠더 간섭계 및 이를 이용하여 온도 변화에 무관하게 굴절률 및 압력과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 있는 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본원에서 설명되는 기술의 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 예시적인 구성을 나타내는 도면.
도 2 및 도 3은 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 단면을 예시적으로 도시한 도면.
도 4는 본원에서 설명되는 기술의 제2 실시예에 따른 센서의 예시적인 구성을 나타내는 블록도.
도 5는 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 실험을 위한 예시적인 구성을 나타내는 도면.
도 6은 도 5에 도시된 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 실험을 위한 예시적인 구성의 외관을 나타내는 도면.
도 7은 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계의 실험을 위한 예시적인 구성을 나타내는 도면.
도 8은 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계의 온도에 따른 특성 변화를 나타내는 도면.
도 9는 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 온도에 따른 특성 변화를 나타내는 도면.
도 10은 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 굴절률에 따른 특성 변화를 나타내는 도면.
이하, 본원에서 설명되는 기술에 따른 마하-젠더 간섭계 및 이를 이용한 센서의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다. 한편 본원에서 설명되는 기술의 실시예를 설명하기 위한 도면들에서, 설명의 편의를 위해서 실제 구성 중 일부만을 도시하거나 일부를 생략하여 도시하거나 변형하여 도시하거나 또는 축척이 다르게 도시될 수 있다.
<제1 실시예>
도 1은 본원에서 설명되는 기술의 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 3은 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 단면을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)는, 제1 도파로(110)와, 간섭부(130)와, 제2 도파로(150)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 제1 도파로(110)와, 간섭부(130)와, 제2 도파로(150)는 활(bow) 형상으로 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 도파로(110)는 코어부(113)와 클래딩부(115)를 포함한다. 간섭부(130)는 클래딩부(135)를 포함한다. 제2 도파로(150)는 코어부(153)와 클래딩부(155)를 포함한다. 도 2 및 도 3의 화살표를 참조하면, 광은 코어부(113)를 통하여 진행하다가 간섭부(130), 즉 클래딩부(135)를 통과한 후, 다시 코어부(153)를 통하여 진행한다.
도 2는, 광 섬유를 이용하여 구현되는 마하-젠더 간섭계(100)의 단면 또는 반도체 공정을 이용하여 제조되는 경우의 마하-젠더 간섭계(100)의 단면을 예시적으로 도시한다.
도 2에 도시된 단면이 광 섬유를 이용하여 구현되는 마하-젠더 간섭계(100)의 단면을 나타내는 경우, 제1 도파로(110)는 단일 모드 광 섬유(SMF)에 의해서 구성되고, 간섭부(130)는 노코어 광섬유(NCF)에 의해서 구성되고, 제2 도파로(150)는 단일 모드 광 섬유(SMF)에 의해서 구성될 수 있다.
즉 제1 도파로(110)의 코어부(113)와 클래딩부(115)는 SMF의 코어부와 클래딩부에 각각 대응하며, 간섭부(130)의 클래딩부(135)는 NCF의 클래딩부에 대응하며, 제2 도파로(150)의 코어부(153)와 클래딩부(155)는 SMF의 코어부와 클래딩부에 각각 대응할 수 있다.
광 섬유를 이용하여 구현되는 마하-젠더 간섭계(100)에서, 제1 도파로(110)의 코어부(113)와 클래딩부(115)의 광학적 특성은 제2 도파로(150)의 코어부(153)와 클래딩부(155)의 광학적 특성과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 또한 간섭부(130)의 클래딩부(135)의 광학적 특성은 제1 도파로(110)의 클래딩부(115)의 광학적 특성 또는 제2 도파로(150)의 클래딩부(155)의 광학적 특성과 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 간섭부(130)의 클래딩부(135)의 광학적 특성은 제1 도파로(110)의 클래딩부(115)의 광학적 특성 또는 제2 도파로(150)의 클래딩부(155)의 광학적 특성과 다를 수도 있다.
도 2에 도시된 단면이 반도체 공정을 이용하여 제조되는 마하-젠더 간섭계(100)의 단면을 나타내는 경우, 클래딩부(115)는 상부 클래딩 층(upper cladding layer, 115a) 및 하부 클래딩 층(lower cladding layer, 115b)을 포함할 수 있다. 코어부(113)는 코어 층(core layer, 113a)을 포함할 수 있다. 클래딩부(135)는 클래딩 층(135a)을 포함할 수 있다. 클래딩부(155)는 상부 클래딩 층(155a) 및 하부 클래딩 층(155b)을 포함할 수 있고, 코어부(153)는 코어 층(153a)을 포함할 수 있다.
코어 층(113a)의 위에 상부 클래딩 층(115a)이 배치되고, 코어 층(113a)의 아래에 하부 클래딩 층(115b)이 배치된다. 마찬가지로, 코어 층(153a)의 위에 상부 클래딩 층(155a)이 배치되고, 코어 층(153a)의 아래에 하부 클래딩 층(155b)이 배치된다.
즉 평면 도파로(planar waveguide)를 구현하기 위해서, 기판(미도시) 상에 상부 클래딩 층(115a), 하부 클래딩 층(115b), 코어 층(113a), 클래딩 층(135a), 상부 클래딩 층(155a), 하부 클래딩 층(155b) 및 코어 층(153a)이 형성될 수 있다.
반도체 공정을 이용하여 제조되는 마하-젠더 간섭계(100)에서도, 제1 도파로(110)의 코어부(113)와 클래딩부(115)의 광학적 특성은 제2 도파로(150)의 코어부(153)와 클래딩부(155)의 광학적 특성과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 또한 간섭부(130)의 클래딩부(135)의 광학적 특성은 제1 도파로(110)의 클래딩부(115)의 광학적 특성 또는 제2 도파로(150)의 클래딩부(155)의 광학적 특성과 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 간섭부(130)의 클래딩부(135)의 광학적 특성은 제1 도파로(110)의 클래딩부(115)의 광학적 특성 또는 제2 도파로(150)의 클래딩부(155)의 광학적 특성과 다를 수도 있다.
도 2에 도시된 마하-젠더 간섭계(100)의 단면을 참조하면, 제1 도파로(110)의 높이와 간섭부(130)의 높이와 제2 도파로(150)의 높이는 실질적으로 동일할 수 있다.
예컨대, 광 섬유를 이용하여 구현되는 마하-젠더 간섭계(100)의 경우, SMF의 지름과 같은 치수와 NCF의 지름과 같은 치수는 실질적으로 동일할 수 있다.
한편 전술하듯이, 종래 구성에 따르면, NCF의 길이는 미리 지정된 임계값보다 커야 한다는 단점을 가진다. 예컨대, NCF의 길이는 수cm이상이 되어야 한다.
그러나, 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)의 간섭부(130)의 길이는 예컨대 수mm 일수 있다. 즉 후술하는 바와 같이 간섭부(130)가 제2 곡률을 가지는 제2 경로에 배치되는 것에 의해서, 간섭부(130)의 길이는 최소화될 수 있다. 따라서, 마하-젠더 간섭계(100)의 부피도 최소화될 수 있다.
예컨대, 반도체 공정을 이용하여 제조되는 마하-젠더 간섭계(100)의 경우, 상부 클래딩 층(115a), 하부 클래딩 층(115b) 및 코어 층(113a)을 합한 높이는, 클래딩 층(135)의 높이와 실질적으로 동일하며, 상부 클래딩 층(155a), 하부 클래딩 층(155b) 및 코어 층(153a)을 합한 높이와도 실질적으로 동일할 수 있다.
그러나, 상부 클래딩 층(115a), 하부 클래딩 층(115b) 및 코어 층(113a)을 합한 높이와 클래딩 층(135)의 높이가 서로 다를 수도 있고, 또한 상부 클래딩 층(115a), 하부 클래딩 층(115b) 및 코어 층(113a)을 합한 높이와 상부 클래딩 층(155a), 하부 클래딩 층(155b) 및 코어 층(153a)을 합한 높이가 서로 다를 수도 있다.
도 3은 반도체 공정을 이용하여 제조되는 경우의 마하-젠더 간섭계(100)의 단면을 예시적으로 도시한다. 클래딩부(115)는 상부 클래딩 층(115a)을 포함할 수 있다. 코어부(113)는 코어 층(113a)을 포함할 수 있다. 클래딩부(135)는 클래딩 층(135a)을 포함할 수 있다. 클래딩부(155)는 상부 클래딩 층(155a) 을 포함할 수 있고, 코어부(153)는 코어 층(153a)을 포함할 수 있다.
코어 층(113a)의 위에 상부 클래딩 층(115a)이 배치된다. 마찬가지로, 코어 층(153a)의 위에 상부 클래딩 층(155a)이 배치된다.
즉 평면 도파로를 구현하기 위해서, 기판(미도시) 상에 상부 클래딩 층(115a), 코어 층(113a), 클래딩 층(135a), 상부 클래딩 층(155a) 및 코어 층(153a)이 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 마하-젠더 간섭계(100)의 단면을 참조하면, 제1 도파로(110)의 높이와 간섭부(130)의 높이와 제2 도파로(150)의 높이는 실질적으로 동일할 수 있다.
예컨대, 반도체 공정을 이용하여 제조되는 마하-젠더 간섭계(100)의 경우, 상부 클래딩 층(115a) 및 코어 층(113a)을 합한 높이는, 클래딩 층(135)의 높이와 실질적으로 동일하며, 상부 클래딩 층(155a) 및 코어 층(153a)을 합한 높이와도 실질적으로 동일할 수 있다.
그러나, 상부 클래딩 층(115a) 및 코어 층(113a)을 합한 높이와 클래딩 층(135)의 높이가 서로 다를 수도 있고, 또한 상부 클래딩 층(115a) 및 코어 층(113a)을 합한 높이와 상부 클래딩 층(155a) 및 코어 층(153a)을 합한 높이가 서로 다를 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1 도파로(110), 간섭부(130) 및 제2 도파로(150)에 의해서 경로가 생성된다. 보다 구체적으로, 제1 경로, 제1 경로와 연결되는 제2 경로 및 제2 경로와 연결되는 제3 경로가 생성된다.
제1 경로는 제1 곡률을 가진다. 제2 경로는 제1 곡률과 극성(sign)이 반대인 제2 곡률을 가진다. 제3 경로는 제2 곡률과 극성이 반대인 제3 곡률을 가진다.
예컨대, 제1 곡률 및 제3 곡률은 양의 곡률(positive curvature)이고, 제2 곡률은 음의 곡률(negative curvature)일 수 있다.
제1 곡률과 제3 곡률은 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나 제1 곡률과 제3 곡률이 다를 수도 있다.
제1 곡률의 절대값 및 제3 곡률의 절대값은 제2 곡률의 절대값보다 큰 것이 바람직하다. 제1 곡률의 절대값 및 제3 곡률의 절대값이 제2 곡률의 절대값보다 크다는 것은, 제1 경로, 제2 경로 및 제3 경로를 통하여 진행하면서 광이 진행 방향이 급격하게 변경될 수 있다는 것을 의미한다.
간섭부(130)는 제2 경로에 배치된다. 보다 구체적으로, 간섭부(130)는 제2 경로 전체에 배치될 수도 있고, 제2 경로의 일부에 배치될 수 있다.
제1 도파로(110)는 제1 경로에 배치된다. 또한 간섭부(130)가 제2 경로의 일부에 배치되는 경우라면, 도 1에 도시되듯이, 제1 도파로(110)는 제1 경로 및 제2 경로 중 간섭부(130)가 배치되지 않은 일부에 배치될 수도 있다. 즉 제1 도파로(110)는 제1 경로에 배치되는 부분(110a)과, 제2 경로의 일부에 배치되는 부분(110b)을 포함할 수 있다.
제2 도파로(150)는 제3 경로에 배치된다. 또한 간섭부(130)가 제2 경로의 일부에 배치되는 경우라면, 도 1에 도시되듯이, 제2 도파로(150)는 제3 경로 및 제2 경로 중 간섭부(130)가 배치되지 않은 일부에 배치될 수도 있다. 즉 제2 도파로(150)는 제3 경로에 배치되는 부분(150a)과, 제2 경로의 일부에 배치되는 부분(150b)을 포함할 수 있다.
<제2 실시예>
도 4는 본원에서 설명되는 기술의 제2 실시예에 따른 센서의 예시적인 구성을 나타내는 블록도이다.
제2 실시예에 따르면, 센서(1000)는 마하-젠더 간섭계(100)와, 광원(200)과, 검출기(300)를 포함한다.
마하-젠더 간섭계(100)는 전술한 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)이다.
광원(200)은 마하-젠더 간섭계(100)로 광을 조사한다.
검출기(300)는 마하-젠더 간섭계(100)로부터 출력되는 광을 검출한다.
후술하듯이, 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)는 온도 변화에 따른 파장의 변화를 최소화할 수 있다.
따라서, 제2 실시예에 따르면, 온도 변화에 무관하게 굴절률 및 압력과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 있는 센서(1000)가 제공될 수 있다.
<실험예>
제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)의 특성을 실험한 결과에 대해서 설명한다.
도 5는 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)의 실험을 위한 예시적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 실험을 위한 예시적인 구성의 외관을 나타내는 도면이고, 도 7은 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계의 실험을 위한 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 광 섬유(400)는 코일 형태로 감겨 있다. 즉 도 6을 참조하면, 광 섬유(400)의 입력단과 출력단 사이에서 광 섬유(400)는 링(Ring) 구조로 접착되어 있는 형태가 아니라, 코일 형태로 서로 접착되지 않은 채로, 즉 떨어져 있는 형태로 배치된다.
광 섬유(400)에는 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100) 및 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계(600)가 각각 배치되어 있다. 예컨대, 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계(600)가 배치된 광 섬유(400)에 물리적인 힘을 인가하여, 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)의 실험을 위한 예시적인 구성을 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 마하-젠더 간섭계(100) 및 마하-젠더 간섭계(600)는 유리 기판(500) 상에 배치될 수 있다. 마하-젠더 간섭계(100)의 제1 도파로(110), 간섭부(130) 및 제2 도파로(150) 중의 적어도 일부는 전술한 바와 같이 제1 경로, 제2 경로 및 제3 경로가 형성되도록 유리 기판(500)에 고정될 수 있다. 예컨대, 마하-젠더 간섭계(100)의 제1 도파로(110), 간섭부(130) 및 제2 도파로(150) 중의 적어도 일부는 접착물질을 이용하여 유리 기판(500)에 고정될 수 있다. 특히 물리적인 힘을 인가하여 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)의 실험을 위한 예시적인 구성을 구현하는 경우, 마하-젠더 간섭계(100)의 제1 도파로(110), 간섭부(130) 및 제2 도파로(150) 중의 적어도 일부는 접착물질을 이용하여 유리 기판(500)에 고정하는 것이 바람직하다.
도 5 및 도 7에서 화살표는 광의 진행 방향을 나타낸다. "D"는 광 섬유(400)에 의해서 형성되는 원 형상의 지름을 나타내며, 예컨대 5cm로 설정된다. 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)의 실험을 위한 예시적인 구성에 따르면, 마하-젠더 간섭계(100)는 광 섬유(400)에 물리적인 힘을 인가하여 형성되며, 광 섬유(400)가 배치되는 부분의 곡률과 마하-젠더 간섭계(100)가 배치되는 부분의 곡률은 서로 극성이 다르다. 예컨대 광 섬유(400)가 배치되는 부분의 곡률은 20 m-1이고 양의 곡률이다. 마하-젠더 간섭계(100) 중 특히 간섭부(130)가 배치되는 부분의 곡률은 0.0055 m-1이고 음의 곡률이다. 이에 비해서, 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계(400)의 실험을 위한 예시적인 구성에 따르면 광 섬유(400)가 배치되는 부분의 곡률과 마하-젠더 간섭계(100)가 배치되는 부분의 곡률은 동일하고 양의 곡률이다.
마하-젠더 간섭계(100) 및 마하-젠더 간섭계(600)에는 각각 센싱 헤드로서 사용될 수 있다.
온도에 따른 특성 변화를 확인하기 위해서, 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)의 실험을 위한 예시적인 구성 및 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계(600)의 실험을 위한 예시적인 구성을 각각 오븐 속에 배치하고, 광 섬유(400)에 광 신호를 입력하였을 때의 스펙트럼의 변화를 온도를 변경시키면서 측정하였다.
광 섬유(400)에 인가되는 광원으로서, 예컨대 1050 nm 대역의 레이저 다이오드를 사용하였다. 광 섬유(400)로부터 출력되는 신호는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)를 사용하였다.
도 8은 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계의 온도에 따른 특성 변화를 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 그래프에서, 가로축은 파장을 세로축은 투과율(transmission)을 각각 나타낸다.
도 8을 참조하면, 오븐의 온도, 즉 마하-젠더 간섭계(600)의 주위 온도가 증가함에 따라서, 광 신호의 스펙트럼의 손실도 증가하고 스펙트럼의 파장 변화가 발생한다. 즉, 비교예에 따른 마하-젠더 간섭계(600)에서는 마하 젠더 간섭이 제대로 발생하지 않아서 스펙트럼의 폭이 넓다. 따라서 마하-젠더 간섭계(600)는 굴절률과 같은 물리량을 측정하기 위한 센서로서 부적합하다는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 온도에 따른 특성 변화를 나타내는 도면이다. 도 9에 도시된 그래프에서, 가로축은 파장을 세로축은 투과율을 각각 나타낸다.
도 9를 참조하면, 오븐의 온도, 즉 마하-젠더 간섭계(100)의 주위 온도가 증가함에 따라서, 광 신호의 스펙트럼의 손실은 증가하지만 스펙트럼의 파장 변화가 거의 발생하지 않는다. 즉, 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계(100)에서는 마하 젠더 간섭이 제대로 발생한다. 따라서 마하-젠더 간섭계(100)는 굴절률과 같은 물리량을 측정하기 위한 센서로서 적합하다는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 제1 실시예에 따른 마하-젠더 간섭계의 굴절률에 따른 특성 변화를 나타내는 도면이다. 도 10에 도시된 그래프에서, 가로축은 파장을 세로축은 투과율을 각각 나타낸다.
즉 마하-젠더 간섭계(100)에 서로 다른 굴절률을 가지는 굴절률 오일을 각각 뿌린 후, 스펙트럼의 파장과 파워 변화를 확인하였다. 굴절률이 변화함에 따라서, 스펙트럼의 파장과 파워가 동시에 변하며, 파장 변화가 더 우세하게 발생한다.
도 9 및 도 10에 도시된 실험 결과를 참조하면, 마하-젠더 간섭계(100)의 주위 온도가 증가하더라도 스펙트럼의 파장의 변화는 크게 발생하지 않지만 굴절률이 증가하면 스펙트럼의 파장의 변화가 크게 발생한다.
따라서, 마하-젠더 간섭계(100)는 온도 변화에 무관하게 굴절률과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
마하-젠더 간섭계(100)는 다른 물리량, 예컨대 압력과 같은 물리량을 측정하는 경우에도 적용될 수 있다. 즉 마하-젠더 간섭계(100)의 주위 온도가 증가하더라도 스펙트럼의 파장의 변화는 거의 발생하지 않지만 압력과 같은 물리량이 증가하면 스펙트럼의 파장의 변화가 크게 발생한다. 따라서, 마하-젠더 간섭계(100)는 온도 변화에 무관하게 압력과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 있다.
<다른 실시예>
비록 본원에서 설명되는 기술의 실시예가 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본원에서 설명되는 기술을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본원에서 설명되는 기술이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본원에서 설명되는 기술의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 설명된 실시예들은 본원에서 설명되는 기술을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본원에서 설명되는 기술의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본원에서 설명되는 기술의 권리 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본원에서 설명되는 기술의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본원에서 설명되는 기술에 따르면, 부피를 최소화하면서도 온도 변화에 무관하게 굴절률 및 압력과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 있는 것인 마하-젠더 간섭계를 이용한 센서를 제공할 수 있다. 또한 반도체 공정을 이용하여 제조될 수 있으므로, 양산성을 높일 수 있다.
100: 마하-젠더 간섭계 110: 제1 도파로
113: 코어부 115: 클래딩부
130: 간섭부 135: 클래딩부
150: 제2 도파로 153: 코어부
155: 클래딩부

Claims (13)

  1. 코어부와 클래딩부를 포함하는 제1 도파로(waveguide);
    상기 제1 도파로와 접속되는 간섭부(interference portion); 및
    상기 간섭부와 접속되며, 상기 코어부와 상기 클래딩부를 포함하는 제2 도파로
    를 포함하고,
    상기 제1 도파로, 상기 간섭부 및 상기 제2 도파로에 의해서 제1 곡률을 가지는 제1 경로, 상기 제1 경로와 연결되며 상기 제1 곡률과 극성(sign)이 반대인 제2 곡률을 가지는 제2 경로 및 상기 제2 경로와 연결되며 상기 제2 곡률과 극성이 반대인 제3 곡률을 가지는 제3 경로가 생성되고,
    상기 간섭부는 상기 제2 경로에 배치되는 것인 마하-젠더 간섭계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 간섭부는 클래딩부를 포함하는 것인 마하-젠더 간섭계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 곡률 및 상기 제3 곡률은 양의 곡률(positive curvature)이고, 상기 제2 곡률은 음의 곡률(negative curvature)인 마하-젠더 간섭계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 곡률의 절대값 및 상기 제3 곡률의 절대값은 상기 제2 곡률의 절대값보다 큰 것인 마하-젠더 간섭계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도파로는 상기 제1 경로에 배치되고,
    상기 제2 도파로는 상기 제3 경로에 배치되는 것인 마하-젠더 간섭계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도파로는 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로 중 상기 간섭부가 배치되지 않은 일부에 배치되는 것인 마하-젠더 간섭계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도파로는 상기 제2 경로 중 상기 간섭부가 배치되지 않은 일부 및 상기 제3 경로에 배치되는 것인 마하-젠더 간섭계.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 곡률과 상기 제3 곡률을 실질적으로 동일한 것인 마하-젠더 간섭계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도파로 및 상기 제2 도파로는 단일 모드 광 섬유(single-mode fiber)에 의해서 구성되고,
    상기 간섭부는 노코어 광섬유(no-core fiber)에 의해서 구성되는 것인 마하-젠더 간섭계.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 도파로, 상기 간섭부 및 상기 제2 도파로가 배치되는 유리 기판
    을 더 포함하고,
    상기 제1 도파로, 상기 간섭부 및 상기 제2 도파로 중의 적어도 일부는 상기 제1 경로, 상기 제2 경로 및 상기 제3 경로가 형성되도록 상기 유리 기판에 고정되는 것인 마하-젠더 간섭계.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도파로 및 상기 제2 도파로의 상기 코어부는 코어 층(core layer)을 포함하고,
    상기 제1 도파로 및 상기 제2 도파로의 상기 클래딩부는 상기 코어 층 위에 배치되는 상부 클래딩 층(upper cladding layer)을 포함하고,
    상기 간섭부는 클래딩 층을 포함하는 것인 마하-젠더 간섭계.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도파로 및 상기 제2 도파로의 상기 클래딩부는 상기 코어 층의 아래에 배치되는 하부 클래딩 층(lower cladding layer)을 더 포함하는 것인 마하-젠더 간섭계.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 마하-젠더 간섭계;
    상기 마하-젠더 간섭계로 광을 조사하는 광원; 및
    상기 마하-젠더 간섭계로부터 출력되는 광을 검출하는 검출기
    를 포함하는 센서.
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