KR960005284B1 - 집적광학장치와 이 집적광학장치에 통합된 조정 가능 수동 마하-젠더 간섭계를 조정하기 위한 방법 - Google Patents

집적광학장치와 이 집적광학장치에 통합된 조정 가능 수동 마하-젠더 간섭계를 조정하기 위한 방법 Download PDF

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KR960005284B1
KR960005284B1 KR1019920020112A KR920020112A KR960005284B1 KR 960005284 B1 KR960005284 B1 KR 960005284B1 KR 1019920020112 A KR1019920020112 A KR 1019920020112A KR 920020112 A KR920020112 A KR 920020112A KR 960005284 B1 KR960005284 B1 KR 960005284B1
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코닌클리즈케 피티티 네덜란드 엔. 브이.
요하네스 빌헬무스 마리아 바세르
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Abstract

내용 없음.

Description

집적광학장치와 이 집적광학장치에 통합된 조정 가능 수동 마하-젠더 간섭계를 조정하기 위한 방법
제1도는 본 발명에 따른 조정 가능한 수동 분극 스프리터(passive polarisation splitter)의 구조도.
제2도는 제1도에 도시된 분극 스프리터에서 사용된 도파관의 단면도.
제3도는 조정 가능한 분극 스프리터용 도파관 패턴을 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 도입 단일모드 도파관 2,3 : 단일모드 분기
4 : 2중모드 도파관 5,6 : 단일모드 도파관
11 : 기판 12 : 평면 제1전극
13 : 제1버퍼층 14 : 유리질 분극성 중합체의 층
15 : 제2버퍼층 D : 공동 공간
[산업상의 이용분야]
본 발명은 집적 광학의 분야로서, 조절 가능한 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계(interferometer)로 이루어진 집적광학장치에 관한 것으로, 특히 분극 스프리터로서 조정할 수 있는 집적광학장치에 관한 것이다. 또한, 상기 형태의 장치의 영구적인 세팅을 위한 방법에 관한 것이다.
[종래의 기술 및 그 문제점]
분극 스프리터는, 예컨대 참고문헌[1],[2]로부터 잘 알려져 있는 바(참고문헌 참조), 참고문헌[1]로부터 알려진 분극 스프리터(polarisation splitters)는 스프리터의 출력에서 분기 도파관의 비대칭을 기초로 하는 수동 스프리터(passive splitter)로서, 상기 비대칭은 극성 상태가 분극-감응임과 더불어 비극성 상태가 실질적으로 분극-감응이 아닌 광학 도파관 재료로서, 분극성 유리질 중합체를 사용함으로써 달성된다. 이러한 관계에 있어서, 입력으로부터 출력까지 연장된 광학 도파관은 비극성을 띠고, 예각하에서 분기되는 도파관은 극성재료이다. 이러한 스프리터가 짧은 통합 거리에 따른 단순한 구조를 갖추고 있음에도 불구하고, 비극성 및 극성재료간의 접합과 그 접합의 위치는 항상 분극 분리의 원하는 정도를 달성하는데 충분히 예리하게 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. 참고문헌[2]는 2중모드 도파관부를 통해 결합 처리되는 비대칭 분기 출력부에 따른 제어 가능한 마하-젠더 간섭계의 결합을 기초로 하는 능동 분극 스프리터(active polarisation splitter)를 설명하고 있고, 나머지 도파관은 단일모드이다. 여기서, 도파관은 간섭계의 적어도 2개의 도파관 분기에서의 부분에 따라 LiNbO3에 Ti를 확산시킴으로써 제조되는 바, 2개의 분극모드는 예컨대 TE모드와 TM모드이고, 광학신호는 다른 굴절률에 직면하는 간섭계를 도입한다.
전기적이나 열적으로 독립적 제어가 가능한 2개의 전극에 의해 각 2개의 분극모드의 경로길이는 분리적으로 제어될 수 있게 되는 바, 여기서 2개의 도파관 분기간의 광학 경로길이 차이가 2kπ의 위상차에 직면하는 간섭계에서 도파관 분기를 지나 분배되는 하나의 분극의 2개의 신호임과 동시에 다른 극성의 2개의 신호가 2중모드 도파관부에 도입될때 (2m+1)π의 위상차와 직면하는 도파관 분기를 지나 분배되면 분극의 스프리팅이 달성된다(여기서, k,m=0,1,2,…). 이는 위치상으로 적당한 전극재료의 존재의 많은 결점을 갖춘 능동 스프리터로 알려져 있다. 더욱이, 전극구조의 성질은 제조를 더욱 어렵게 만듬과 더불어 더욱 복잡하게 제어된다.
실질적으로 분극 스프리팅 기능은 수동기능인 바, 참고문헌[2]로부터 알려진 스프리터구조의 수동설계는 그 해답을 제공한다. 그러나, 이는 제조단계에서 스프리팅 기능의 효과적인 수행을 위해 필요한 광학 경로길이 차이가 굴절률에 대한 재료의 매우 정확한 선택과 매우 세밀한 허용오차에 따른 디멘죤에 의해 간섭계에서 각 2개의 분극을 위해 달성될 수 있는 것을 의미한다.
[발명의 목적]
본 발명은 상기한 점을 감안해서 발명된 것으로, 참고문헌[2]에서 설명한 바와 같이 재료의 적절한 선택에 의해 제조할 수 있고, 더욱이 이러한 구조는 디멘죤 정정에 부가적인 주의없이 재료에 대한 기준이 되는 일반적 제조기술을 사용하는데 관련되며, 간섭계부가 장치의 특정 기능을 위해 요구되는 광학 경로길이 차이를 간단한 방법으로 조정할 수 있는 MZ-간섭계부를 포함하는 도파관구조를 갖춘 수동 집적광학장치를 제공함에 그 목적이 있다.
[발명의 구성 및 작용]
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도입 도파관 입력부와, 이 입력부에 연결되면서 상호 작용 공간으로부터 서로 분기되어 실질적으로 다시 통합되는 2개의 단일모드 도파관 분기를 갖춘 마하-젠더 간섭계 및, 이 마하-젠더 간섭계에 연결된 도파관 출력부로 구성되고, 2개의 도파관 분기 외측중 하나에서 분극성 극성재료의 영역인 상기 상호 작용 공간이 적어도 위치상으로 합치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 관점을 기초로 한다. 즉, 참고문헌[1]로부터 알려진 분극성 유리질 중합체와 같은 분극성 극성재료는 2가지 상태, 즉 비극성과 극성상태가 존재하는 바, 비극성상태는 분극-비감응이지만, 극성상태는 분극-감응이다. 이러한 분극-감도는 폴링(poling)의 결과에 따른 비극성 중합체의 굴절률에 관한 실질적 결과인 바, 굴절률은 항상 2배로 야기되고, 더욱이 폴링방향의 수직방향에 비해 폴링방향에 병렬방향에 대해 반대부호이며, 이는 폴링 파라메터와 독립적이다. 이는 상기 방법으로 중합체 극성의 영역을 통해 전파되는 광학신호를 포함하는 바, 예컨대 폴링방향에 수직이면서 TE요소와 TM요소의 양쪽으로 이루어지고, 이러한 분극요소는 광학 경로길이의 차에 직면하게 된다. 그리고, 폴링의 결과로서 변화되는 굴절률의 절대값은 중합체의 폴링의 측정이나 폴링의 정도에 비례한다. 여기서, 가능한한 높은 폴링의 정도는 중합체가 가장 높은 가능한 폴링전압에 따라 극성을 띠게 되면 달성된다. 이러한 폴링의 정도는 참고문헌[4](특히, 섹선 Ⅳ.C.의 “Decay of poling-induced alignment”와 제4도 참조)로부터 알 수 있는 바와 같이, 긴 기간동안 실내온도에서 가시적으로 변화되지 않는다는 것을 보여준다. 비록 유리천이온도 이하이기는 하지만, 상승된 온도에서 폴링감소의 정도는 전형적인 이완곡선에 따른다. 또, 폴링감소에서의 이러한 감소공정은 다시 실내온도로 냉각시킴으로써 정지된다.
본 발명은 상기 간섭계가 적용된 장치 구조의 제조후의 결과로서 마하-젠더 간섭계의 분기중 한 형태의 재료를 합치시킴에 따른 현상을 이용하는 바, 이때 상기 장치는 원하는 광학 경로길이 차이나 2개의 광학 분극의 각각에 따른 상기 간섭계의 2개의 분기간의 위상차에 대해 상기한 열 이완현상을 이용함으로써 조정된다.
한편, 본 발명은 상기 방법에 따라 조정될 수 있는 수동 마하-젠더 간섭계를 구성하는 집적 광학장치를 조정하기 위한 방법을 제공한다.
[실시예]
이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 1 실시예를 상세히 설명한다.
예컨대, 참고문헌[1]로부터 알려진 바와 같이 분극성 유리질 중합체는 2가지 상태가 될 수 있는 바, 즉 비극성과 극성상태이다. 비극성상태는 분극-비감응이지만, 극성상태는 분극-감응이다. 참고문헌[3](특히, 식(2.10)과 식(2.11) 및 텍스트의 다음 5라인 참조)으로부터 알 수 있는 바와 같이 폴링(poling)의 결과로서의 비극성 중합체의 굴절률에 대해 굴절률 변화는 항상 2배로 야기되고, 폴링방향과 수직방향에 비해 폴링방향에 병렬방향에 대해 반대의 부호이며, 이는 폴링 파라메터와 독립적이다. 이는 이러한 방법에 따라 중합체 극성의 영역을 통해 전파되는 광학신호를 포함하는 바, 예컨대 폴링방향과 수직방향이고, TE요소와 TM요소로 이루어지며, 이러한 분극요소는 광학 경로길이의 차에 직면하게 된다. 그리고, 폴링의 결과로서 변화되는 굴절률의 절대치는 중합체의 폴링의 범위나 폴링의 정도에 비례하고, 가능한한 높은 폴링의 정도는 중합체가 가장 높은 가능한 폴링전압에 따라 극성을 띠면 달성된다. 이러한 폴링의 정도는 참고문헌[4](특히, 섹션 Ⅳ.C.의 “Decay of poling-induced alignment”와 제4도 참조)로부터 알 수 있는 바와 같이, 긴 기간동안 실내온도에서는 가시적인 변화가 없다는 것을 보여준다. 비록 유리천이온도 이하임에도 불구하고, 상승된 온도에서 폴링의 정도는 전형적인 이완곡선에 따라 감소된다. 또, 폴링감소의 정도의 이러한 처리는 다시 실내온도를 냉각시킴으로써 정지된다. 본 발명은 상기한 열이완현상을 이용함으로써 사용되는 상기 간섭계의 상기 장치의 구조를 제조한 후, 원하는 광학 경로길이 차이나 2개의 광학 분극의 각각에 따른 상기 간섭계의 2개의 분기간의 위상차로 장치를 조정하기 위해 마하-젠더 간섭계의 분기중 한 형태의 재료를 합치함에 따른 현상을 이용한다. 이는 동시에 수행될 수 있고, 분리조정 용이성이 2개의 분극에 대해 요구되지 않는데, 예컨대 참고문헌[3]의 식(2.10)과 같이 2개의 굴절률간의 변화에 대해 상기한 선형관계에 기초한다. 분극성 중합체에 있어서 이방성이 폴링에 의해 도입됨으로써 다음과 같은 관계를 만족한다.
△nTM=2/3△과 △nTE=-1/3△m…………………………………………(1)
이는 각각 TM분극의 굴절률의 증가와 TE분극의 감소를 나타내고, 여기서 △n은 전체 복굴절(total birefringence)을 나타낸다. 극성 중합체의 도파관과 길이(L)에서 △n은 파장(λ)을 갖춘 광학신호에 대한 열이완의 수단에 의해 조정될 수 있고, TM분극은 위상차 △ΦTM=mπ와 직면하며, TE분극은 위상차 △ΦTE=pπ와 직면하는 바, 여기서 m-p=2k-1이고, p,k=±1,±2,…이다.
이때, 식(1)로부터 p=-(2k+1)/3으로 되고, m=(4k+2)/3으로 된다.
이는 m(또는 p)=2,6,10,…과 p(또는 m)=-1,-3,-5,…을 만족한다.
이는 참고문헌[2]로부터 이미 인용한 바와 같이 도파관부분이 분극 스프리팅 구조의 마하-젠더 간섭계의 분기중 하나와 통합되면, 열이완의 처리에 의해 발생하는 수동장치가 실질적으로 그 극성 스프리팅 기능에 대해 조정될 수 있다는 것을 의미한다.
분극성 중합체에 있어서, 1300nm의 파장과 △n=0.06은 폴링에 의해 달성될 수 있는데, 이것이 5mm의 길이(L)와 △ΦTM=308π를 지나는 도파관 가지중 하나인 경우라면 적용된다. 열이완처리에 의해 △n은 연속적으로 △ΦTM=306π,302π,298π,…,2π의 방법으로 감소될 수 있고, 동시에 △ΦTE=-153π,-151π,-149π,…,-π가 적용되며, 처리는 조정값으로서 적절한 값에서 정지된다. 파장과 이러한 예를 선택하기 위한 △n의 경우에 있어서, L=50㎛로 조정하는 것이 가능한 바, 즉 △ΦTM=2π와 △ΦTE=-π이다.
제1도는 본 발명에 따른 분극 스프리터의 구조도를 나타낸 것으로, 도입 단일모드 도파관(1)은 대칭형으로 분기되어 상호 작용 공간보다 큰 공동공간(D)에 달하는 마하-젠더 간섭계의 2개의 단일모드 분기(2,3)로 되고, 다시 2중모드 도파관(4)에서 대칭적으로 통합된다. 상기 2중모드 도파관(4)은 2개의 단일모드 도파관(5,6)으로 비대칭적으로 분기되는데, 상기 도파관(5)은 예컨대 도파관(6)보다 더 작은 전파상수를 갖는다(도면에서는 더 작은 폭으로 도시되어 있음). 그리고, 간섭계의 2개의 분기(2,3)를 지나 도입 도파관(1)으로부터 분배됨과 더불어 2중모드 도파관(4)에 도달하는 2개의 분극인 TE와 TM 각각을 갖춘 신호에 따른 위상차를 조정하기 위해 길이가 L인 조정부(7)가 상기 도파관 분기(2)에서 통합된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 분극 스프리팅 장치는 제1도에 도시된 바와 같은 도파관 패턴을 갖추는 바, 도파관(1,2,3)과 도파관(2,3,4) 및 도파관(4,5,6)의 Y형 분기는 원형으로 만곡된 도파관부를 이용하여 구성되고, 모든 도파관은 참고문헌[1]로부터 알려진 단면구조를 갖춘다.
제2도에 그 단면구조가 도시되어 있는 바, 도파관은 다만 폭(W)의 차이를 허용한다. 여기서, 기판(11)상에는 연속되는 층으로서 평면 제1전극(12)과, 제1버퍼층(13), 유리질 분극성 중합체의 층(14) 및, 제2버퍼층(15)이 존재하고, 상기 층(14)은 UV광선에 따라 방사되는 영역(16)과 방사되지 않는 영역(17)으로 이루어짐에 따라 상기와 같은 단면구조를 갖춘 도파관은 봉우리형으로 일컬어진다. 예컨대, 봉우리의 폭은 도파관(1,2,3)에 대해 7㎛, 도파관(4)에 대해 14㎛, 도파관(5)에 대해 6㎛, 도파관(6)에 대해 8㎛이다. 그리고, 2중모드 도파관(4)의 길이(B)는 약 200㎛으로 제한된다. 여기서 Y형 가지는 원호형상의 도파관부를 이용하여 구성되는 바, 예컨대 원호는 반경 R=약 40.0mm, 원호각 θ=약 0.02rad을 갖추고, 이는 제3도에 도파관이 1~6의 숫자로 표시되어 도식적으로 나타내어져 있다. 여기서, 중심이 M으로 표시되어 있고, 분기 도파관(2,3)은 약 0.1nm의 가장 큰 공동 거리(D)를 갖추며, Y형 분기(1,2,3)와 (2,3,4)는 서로 직접 연결된다. 그리고, 장치의 전체 길이는 Y형 분기의 최소 요망길이의 약 3배로 제한된다.
이와 같이 장치가 구성되어 도파관(2)의 분극성 중합체가 위치상으로 길이(L)를 갖춘 영역(A)에서 극성을 띠게 된다. 이는 상기 목적을 위해 도파관(2)의 봉우리(18) 위에 잠정적으로 위치하는 제2전극에 의해 수행된다. 중합체의 층 두께를 선택하기 위한 최대 허용가능 폴링전압이 폴링을 위해 사용되는 것이 바람직하므로 그 영역에서의 중합체는 최대 폴링정도를 얻게 된다. 그리고, 1300nm의 파장에서 사용된 중합체는 반사형태에서 1.56의 굴절률을 갖추고, 비방사형태에서 1.59의 굴절률을 갖추며, 상기 최대 폴링정도는 TM분극에 대해 1.63, TE분극에 대해 1.57이다.
상기한 설명으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 길이(L)는 임계적이 아니다. 예컨대, 디멘죤은 800㎛로 선택됨으로써 도파관(2)의 극성영역이 중심(M)의 양측으로 약 400㎛ 연장된다.
이와 같은 방법으로 로칼 폴링이 달성된 후, 장치가 다음과 같이 조정된다. 즉, 장치는 열판(hotplate)상에 마운트되고, 선형으로 분극된 광선이 45°의 각도로 도입 도파관(1)에 도입되어 유출 광학 도파관(5,6)으로부터 유출되는 광학신호의 분극상태가 측정된다. 이러한 측정동안 전체 장치가 중합체 사용(Tg=약 140℃)의 유리천이온도 보다는 낮지만, 그에 가깝게 가열된다. 그리고, 장치는 명확히 분극된 신호(TE 또는 TM)가 유출가이드(5,6)의 각각에서 측정될 때 냉각된다.
여기서, 가열은 유리천이온도(Tg)에 가깝거나 그 이상에서 수행되는 정도에 의존하여 열 이완처리가 더욱 빠르거나 느리게 진행된다. 한편, L이 충분히 크게 선택되면, 다양한 조정조건이 존재함과 더불어 냉각에 의해 중지되기 전에 처리의 시간 의존동작을 먼저 관찰하는 것이 가능하다. 그리고, 실질적으로 인위적 제조의 형태에 따른 상기 방법에 의한 극성 중합체의 이완은 더욱 안정된 극성상태의 부가적 이점을 갖출 수 있다.
한편, 본 발명은 다양하게 변형할 수 있는 바, 조정시 가열은 중합체가 위치상으로 극성을 띠게 되는 영역에서 가능한한 멀리 제한할 수 있다. 또한, 조정을 위해 극성 중합체의 폴링정도를 극성 중합체의 가이드로 구성된 전체 도파관 패턴에 대해 로칼 가열에 의한 낮은 레벨로 위치적으로 세트시킬 수 있게 된다. 다른 실시예에 있어서, 도파관 패턴이 적절히 선택된 재료에서 영구적인 도파관 채널에 의해 형성될 수 있고, 극성 중합체는 간섭계가 분기중 하나의 중간 근처의 버퍼층으로서 위치함으로써 도파관의 효과적인 굴절률을 동시에 결정할 수 있게 된다.
또한, 파장 의존은 큰 위상차에 대해 크기 때문에 L이 크게 되고, 이러한 의존은 낮은 폴링정도에서 조정에 일치하여 감소된다.
[발명의 효과]
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 장치의 특정기능을 위해 요구되는 광학 경로길이 차이를 간단한 방법으로 조정할 수 있게 된다.
참고문헌
[1] EP-A-0444721;
[2] K.G.Han, et al. : “Ti : LiNbO3polarization splitters using an asymmetric branching waveguide”, OPTICS LETTERS, Vol. 16, No. 14, July 15, 1991, pp. 1086-1088;
[3] J.W.Wu : “Birefringent and electro-optic effects in poled polymer films : steady-state and transient properties”, J.Opt. Soc. Am B/Vol. 8, No. 1/January 1991, pp. 142-152;
[4] D.Jungbauer, et al. : “Second-order nonlinear optical properties and relaxation characteristics of poled linear epoxy polymers with tolane chromophores”, J.Appl Phys. 69(12), 15 June 1991, pp. 8011-8017

Claims (5)

  1. 도입도파관 입력부와, 이 입력부에 연결되면서 상호 작용 공간으로부터 서로 분기되어 실질적으로 다시 통합되는 2개의 단일모드 도파관 분기를 갖춘 마하-젠더 간섭계 및, 이 마하-젠더 간섭계에 연결된 도파관 출력부로 구성되고, 2개의 도파관 분기 외측중 하나에서 분극성 극성재료의 영역인 상기 상호 작용 공간이 적어도 위치상으로 합치되도록 된 것을 특징으로 하는 집적광학장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력부가 단일모드 도파관으로 형성되고, 상기 도파관 출력부가 제1 및 제2 단일모드 도파관의 비대칭으로 분기되는 2중모드 도파관 결합부로 이루어지며, 상기 장치가 분극 스프리팅 기능을 갖추면서 2개의 도파관간의 상기 기능을 위해 요구되는 광학 위상차가 상기 영역에서 분극성 극성 재료의 폴링정도의 결과로서 나타나는 마하-젠더 간섭계에서 분리되는 것을 특징으로 하는집적광학장치.
  3. 제2항에 있어서, 극성 재료의 상기 영역이 상기 도파관 분기에서 도파관의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적광학장치.
  4. 입력도파관과, 상호 작용 공간을 지나 서로 분리되면서 결국 다시 합치되는 2개의 도파관 분기를 갖춘 마하-젠더 간섭계 및, 2개의 도파관 분기중 하나에서 적어도 위치상으로 존재하는 폴링에 의해 이전에 달성된 폴링정도를 갖춘 분극성 재료인 도파관 출력부로 구성되는 집적광학장치에서 통합된 조정가능 수동 마하-젠더 간섭계의 조정이, 상기 입력도파관에 특정 입력신호가 도입되는 단계와, 출력부로부터 유출되는 출력신호를 연속적으로 측정 또는 분석하는 단계, 중합체/재료의 유리천이온도에 가깝도록 적어도 위치상으로 존재하는 분극성 극성 재료의 영역에서 장치를 가열하는 단계 및, 원하는 출력신호가 얻어질 경우 장치를 냉각시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 집적광학장치에 통합된 조정가능 수동 마하-젠더 간섭계를 조정하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서, 입력부가 단일 도입 도파관에 의해 형성되면서 출력부가 제1 및 제2유출 단일모드 도파관의 비대칭으로 분기되는 2중모드 도파관 결합부로 이루어지고, 장치의 분극 스프리팅 기능에 대해 간섭계를 조정하기 위한 도입단계가 도입 도파관으로 45°의 각도에서 선형적으로 극성을 띤 광선에 따라 수행되며, 냉각단계가 제1 및 제2유출 도파관에서 기본적으로 단일 극성을 띤 신호가 측정되어 수행되는 것을 특징으로 하는 집적광학장치에 통합된 조정가능 수동 마하-젠더 간섭계를 조정하기 위한 방법.
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