WO2014027748A1 - 광-광 변조 장치 및 광-광 변조 방법 - Google Patents

광-광 변조 장치 및 광-광 변조 방법 Download PDF

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optical
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임선도
이동훈
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    • G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]

Definitions

  • the present invention relates to an optical modulation device, and more particularly, to thermally form an optical waveguide using a first laser beam, and to arrange a periodic polarization inversion pattern adjacent to the optical waveguide,
  • the present invention relates to an optical modulation device in which signal light is provided to the optical waveguide so that the signal light is converted from a basic mode to a higher order mode by the interaction of the polarization inversion pattern and the second laser beam.
  • the optical modulator using the operation principle of the electric field absorption is generally composed of a semiconductor, and modulates the optical signal by changing the absorption band of the semiconductor in accordance with whether the electric field is applied to absorb or pass the incident light.
  • the optical modulator of the all-optical effect type may have a problem of DC-drift, and the optical modulator of the field absorption type may have a problem of frequency chirping.
  • the mode locking method of the longitudinal mode of the gain medium is used.
  • the mode locking method is difficult to perform for any wavelength and has a complicated configuration.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide an optical pulse duplicator which is synchronized to a conventional short pulse laser to make a short pulse at another wavelength.
  • An optical-light modulation device comprises a first substrate formed of a ferroelectric crystal of a nonlinear medium and a second substrate formed of a ferroelectric crystal of a nonlinear medium stacked on the first substrate and including a periodic polarization inversion pattern.
  • Light modulator comprising a;
  • the first substrate absorbs a first laser beam along a traveling direction by entering the first substrate in a direction crossing the periodic polarization reversal pattern around an interface between the first substrate and the second substrate, and absorbing the first laser beam.
  • the second laser beam applies a DC electric field to the polarization reversal pattern to cause a periodic refractive index difference along the optical waveguide and modulate the signal light from the basic mode to the higher order mode.
  • the first laser beam is linearly polarized in a second direction perpendicular to the first direction and at an interface between the first substrate and the second substrate, and the second laser beam and the signal light. Is linearly polarized in the first direction and a third direction perpendicular to the second direction, receives the first laser beam, provides one side of the first substrate, and receives the second laser beam and the signal light.
  • the apparatus may further include a first polarization beam splitter provided at one side of the first substrate by bending a 90 degree traveling direction.
  • the second polarizing beam splitter may further include a second polarizing beam splitter that outputs the light by bending the traveling direction by 90 degrees.
  • it may further include a mode selection combiner disposed behind the wavelength filter for receiving the signal light to separate the basic mode and the higher order mode.
  • the first substrate and the second substrate may include at least one of LiNbO3, LiTaO3, Zn: LiNbO3 and KTiOPO4.
  • the period ⁇ of the periodic polarization inversion pattern, the effective propagation constant ⁇ 21 before modulation of the signal light and the effective propagation constant ⁇ 22 after modulation are
  • the present invention provides an optical modulation device and an optical modulation method.
  • the optical modulator comprises an optical modulator comprising a second substrate formed of a ferroelectric crystal of a nonlinear medium including a periodic polarization inversion pattern stacked on a first substrate formed of a ferroelectric crystal of a nonlinear medium, the first substrate and the second substrate.
  • Difference in refractive index with respect to the periphery of the first substrate is absorbed by the first laser beam in the direction transverse to the cyclic polarization reversal pattern around the boundary of the first absorbed laser beam along the path of the first laser beam
  • a first laser for generating an optical waveguide to form an optical waveguide
  • a signal source for providing signal light traveling along the optical waveguide
  • a second laser for providing a second laser beam in the form of pulses traveling along the optical waveguide.
  • the second laser beam applies a DC electric field to the polarization inversion pattern, causing a periodic refractive index difference along the optical waveguide and modulating the signal light from the basic mode to the higher order mode.
  • the second substrate is polarized inverted in a direction perpendicular to the placement plane of the second substrate, the second laser beam is applied to the polarization reversal pattern by applying an evanescent electric field
  • the signal light may be modulated from the basic mode to the higher order mode by periodically causing a change in refractive index along the direction.
  • the optical modulation device can provide a high-speed modulation of about terahertz.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating an optical modulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the substrate of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the substrate of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a change in refractive index formed along a traveling direction of the second laser beam of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating light incident on the substrate of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining light output from the substrate of FIG. 1.
  • An optical modulation device forms an optical waveguide by absorbing a first laser light on a ferroelectric crystal substrate of a nonlinear medium.
  • a periodic polarized inverted lithium nanooate (PPLN) disposed adjacent to the formed optical waveguide, and providing a pulsed laser light to the optical waveguide, the everthene electric field of the pulsed laser light induces a refractive index change in the PPLN do.
  • the refractive index change of the PPLN converts the mode of the signal light traveling through the optical waveguide from the basic mode to the higher order mode. Accordingly, light modulation of the terahertz (THz) is possible.
  • THz terahertz
  • the mode of advancing the optical waveguide is determined by boundary conditions.
  • the lattice structure can be induced.
  • Optical modulation in this manner is limited in modulation rate or modulation frequency. Accordingly, there is a need for an optical-light modulator or optical pulse replicator having a high speed or fast modulation frequency of several tens of GHz or more.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating an optical modulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the substrate of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the substrate of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a change in refractive index formed along a traveling direction of the second laser beam of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a view for explaining light incident on the substrate of FIG. 1.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating light output from the substrate of FIG. 1.
  • the optical modulation device 100 includes an optical modulator 110, a first laser 120, a signal source 130, and a second laser 140.
  • the optical modulator includes a second substrate 114 formed of a ferroelectric crystal of a nonlinear medium including a periodic polarization inversion pattern 113 stacked on the first substrate 112 formed of a ferroelectric crystal of a nonlinear medium.
  • the first laser 120 is incident on the first substrate 112 in a direction crossing the periodic polarization inversion pattern 113 around the boundary line between the first substrate 112 and the second substrate 114,
  • the first substrate 112 absorbs the first laser beam S1 along a traveling direction, and is heated along the path of the first laser beam S1 to cause a difference in refractive index with respect to the surroundings.
  • the optical waveguide may be formed along the first direction.
  • the signal source 130 provides the signal light S2 traveling along the optical waveguide 115.
  • the second laser 140 provides a second laser beam S3 in the form of a pulse traveling along the optical waveguide 115.
  • the second laser beam S3 applies an evanecsent electric field to the polarization reversal pattern 113 to cause a periodic refractive index change along the traveling direction, thereby causing the signal light S1 to be in a higher order mode. Convert to
  • the light modulator 110 includes a first substrate 112 and a second substrate 114 stacked on the first substrate 112.
  • the first substrate 112 may be a ferroelectric crystal of a nonlinear medium.
  • the first substrate 112 may be lithium niobate (LiNbO 3), LiTaO 3, Zn: LiNbO 3, or KTiOPO 4.
  • the second substrate 14 may be lithium niobate (LiNbO 3), LiTaO 3, Zn: LiNbO 3, or KTiOPO 4 that is periodically polarized inverted.
  • the first substrate may be disposed on a plane defined by a first direction and a second direction.
  • the second substrate 114 may be Periodic Poled LiNbO 3 (PPLN) that is polarized and inverted with a ferroelectric crystal of a nonlinear medium.
  • the lithium niobate (LiNbO3) may be lithium niobate (PPLN: Periodically Poled LiNbO3) which is polarized inverted with respect to an extraordinary axis (ne) at a specific cycle.
  • the direction of the normal refractive axis may be a first direction and the second direction, and the direction of the abnormal refractive axis may be a third direction.
  • the length of the light modulator 110 may be several centimeters in the first direction, and the thicknesses of the first substrate 112 and the second substrate 114 may be several millimeters, respectively.
  • the optical waveguide 115 is formed by the first laser beam S1 incident from the side surface of the first substrate 112.
  • the first laser beam S1 may be incident on one side of the first substrate 112 defined by the second direction and the third direction.
  • the point where the first laser beam S1 is incident may be a position slightly moved in the direction from the boundary between the first substrate 112 and the second substrate 114 in the direction to the first substrate 112. Accordingly, the first laser beam S1 may form an optical waveguide in the first direction on the first substrate 112.
  • the wavelength of the first laser beam S1 may be 1.064 ⁇ m.
  • the traveling direction of the first laser beam S1 or the extending direction of the optical waveguide 115 may be a positive first direction.
  • the first laser 120 may be an Nd: YAG laser.
  • the first laser beam S1 is absorbed by the first substrate 112 to locally increase the temperature, and the temperature rise changes the refractive index.
  • the change in refractive index forms the optical waveguide 115.
  • the diameter of the output end of the first laser beam S1 may be larger than the diameter of the input end. Accordingly, a mode change of the signal light S2 traveling through the optical waveguide 115 may be induced.
  • the first laser beam S1 may vertically cross the polarization inversion pattern 113.
  • the first laser light S1 may be linearly polarized in a second direction perpendicular to the polarization direction of the polarization inversion pattern 113. That is, the first laser light S1 may be linearly polarized in the second direction. Accordingly, the first laser light S1 may not be affected by the second substrate 114.
  • the frequency of the signal light S2 may be a visible light region or an infrared region.

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Description

광-광 변조 장치 및 광-광 변조 방법
본 발명은 광 변조 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 제1 레이저 빔을 이용하여 열적으로 광도파로를 형성하고, 상기 광도파로에 인접하게 주기적 분극 반전 패턴을 배치하여, 펄스 형태의 제2 레이저 빔과 신호광을 상기 광도파로에 제공하여, 상기 신호광이 상기 분극 반전 패턴과 상기 제2 레이저 빔의 상호 작용에 의하여 기본 모드에서 고차 모드로 변환되는 광 변조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 통신용 소자에 이용되는 광 변조기는 전광(electro-optic) 효과 또는 전계 흡수(electroabsorption)의 동작 원리를 이용한다. 상기 전광 효과의 동작 원리를 이용하는 광 변조기는 마하 젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 구조를 가진다. 상기 마하 젠더 간섭계 구조는, 두 경로로 나누어 입사된 빛의 한 쪽 또는 양쪽 경로에 전압을 인가함으로써, 광도파로의 굴절률을 변화시켜 두 경로 사이의 상대 위상을 변화시켜, 입사된 빛을 흡수하거나 통과시켜 광신호를 변조한다.
상기 전계 흡수의 동작 원리를 이용하는 광 변조기는, 일반적으로 반도체로 구성되고, 전기장의 인가 여부에 따라 반도체의 흡수 밴드를 변화시켜 입사된 빛을 흡수하거나 통과시켜 광신호를 변조한다. 상기 전광 효과 동작 방식의 광 변조기는 DC 드리프트(DC-drift)의 문제가 발생할 수 있고, 상기 전계 흡수 동작 방식의 광 변조기는 주파수 처핑(frequency chirping)의 문제가 발생할 수 있다.
특정 파장에서 짧은 펄스를 만들기 위해서는 이득 매질의 종모드를 모드 락킹(mode locking) 방법이 사용된다. 그러나, 모드 락킹 방법은 임의의 파장에 대하여 수행하기 어려우며, 복잡한 구성을 가진다. 따라서, 종래의 이미 존재하는 펄스를 이용하여 다른 파장의 짧은 펄스를 만드는 방법이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 종래의 짧은 펄스 레이저에 동기화되어 다른 파장에서 짧은 펄스를 만드는 광 펄스 복제기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광-광 변조 장치는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제1 기판 및 상기 제1 기판 상에 적층되고 주기적 분극 반전 패턴을 포함하는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제2 기판을 포함하는 광변조부; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 경계면 주위에서 상기 주기적 분극 반전 패턴을 가로지르는 방향으로 상기 제1 기판에 입사하여 진행 방향을 따라 상기 제1 기판이 제1 레이저 빔을 흡수하여 상기 제1 레이저 빔의 경로를 따라 가열되어 주위와의 굴절률 차이를 유발하여 제1 방향으로 광도파로를 형성시키는 제1 레이저; 상기 광도파로를 따라 진행하는 신호광을 제공하는 신호원; 및 상기 광도파로를 따라 진행하는 펄스 형태의 제2 레이저 빔을 제공하는 제2 레이저를 포함한다. 상기 제2 레이저 빔은 상기 분극 반전 패턴에 DC 전기장을 인가하여 상기 광도파로를 따라 주기적인 굴절률 차이를 유발하고 상기 신호광을 기본 모드에서 고차 모드로 변조한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 상기 제1 방향에 수직하고 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 경계면에 있는 제2 방향으로 선편광되고, 상기 제2 레이저 빔 및 상기 신호광은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 선편광되고, 상기 제1 레이저 빔을 제공받아 상기 제1 기판의 일 측면에 제공하고, 상기 제2 레이저 빔 및 상기 신호광을 제공받아 90도 진행 방향을 꺾어 상기 제1 기판의 일 측면에 제공하는 제1 편광 빔 스플릿터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판의 타 측면을 통과한 상기 제1 레이저 빔을 제공받아 그 진행 방향으로 출력하고, 상기 기판의 타 측면을 통과한 상기 제2 레이저 빔 및 상기 신호광을 제공받아 진행 방향을 90도 꺾어 출력하는 제2 편광 빔 스플릿터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 편광 빔 스플릿터의 뒤에 배치되어 상기 제2 레이저 빔 및 상기 신호광을 제공받아 상기 신호광을 선택적으로 출력하는 파장 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파장 필터의 뒤에 배치되어 상기 신호광을 제공받아 기본 모드와 고차 모드를 분리하는 모드 선택 결합기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 LiNbO3, LiTaO3, Zn:LiNbO3 및 KTiOPO4 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주기적 분극 반전 패턴의 주기(Λ)와 상기 신호광의 변조 전 유효 전파 상수(β21)와 변조 후 유효 전파 상수(β22)는
본 발명은 광변조 장치 및 광변조 방법을 제공한다. 이 광변조 장치는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제1 기판 상에 적층된 주기적 분극 반전 패턴을 포함하는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제2 기판을 포함하는 광변조부, 제1 기판과 제2 기판의 경계면 주위에서 상기 주기적 분극 반전 패턴을 가로지르는 방향으로 제1 기판에 입사하여 진행 방향을 따라 제1 기판이 제1 레이저 빔을 흡수하여 제1 레이저 빔의 경로를 따라 가열되어 주위와의 굴절률 차이를 유발하여 광도파로를 형성시키는 제1 레이저, 광도파로을 따라 진행하는 신호광을 제공하는 신호원, 및 광도파로를 따라 진행하는 펄스 형태의 제2 레이저 빔을 제공하는 제2 레이저를 포함한다. 제2 레이저 빔은 분극 반전 패턴에 DC 전기장을 인가하여 광도파로를 따라 주기적인 굴절률 차이를 유발하고 신호광을 기본 모드에서 고차 모드로 변조한다.
Figure PCTKR2013005865-appb-I000001
관계식을 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광변조 방법은 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제1 기판과 주기적 분극 반전 패턴을 포함하는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제2 기판을 결합하는 단계; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 경계선 주위에서 상기 제1 기판에 분극 반전 패턴을 수직으로 가로지르는 진행 방향을 따라 제1 레이저 빔을 제공하여 상기 제1 레이저 빔의 경로를 따라 가열되어 주위와의 굴절률 차이를 유발하여 광도파로를 형성시키는 단계; 상기 광도파로를 따라 진행하는 신호광을 제공하는 단계; 및 상기 광도파로를 따라 진행하는 펄스 형태의 제2 레이저 빔을 제공하여 모드 변환시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 기판은 상기 제2 기판의 배치 평면에 수직인 방향으로 분극 반전되고, 상기 제2 레이저 빔은 상기 분극 반전 패턴에 에베네슨트 전기장을 인가하여 상기 진행 방향을 따라 굴절률 변화를 주기적으로 유발하여 상기 신호광을 기본 모드에서 고차 모드로 변조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광변조 장치는 테라헤르츠 정도의 고속 변조를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 변조기를 설명하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 기판을 설명하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 기판에 제1 레이저 빔, 신호광, 제2 레이저 빔의 입사 위치를 설명하는 단면도이다.
도 4는 도 1의 제2 레이저 빔의 진행 방향을 따라 형성된 굴절률 변화를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 1의 기판에 입사하는 광을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1의 기판에서 출력하는 광을 설명하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 변조 장치는 비선형 매질의 강유전체 결정 기판에 제1 레이저 광을 흡수시켜 광도파로를 형성한다. 상기 형성된 광도파로에 인접하게 배치된 주기적 분극 반전된 리튬나오베이트(PPLN)을 배치하고, 상기 광도도파로에 펄스 레이저광을 제공하여, 상기 펄스 레이저 광의 에베네슨트 전기장은 상기 PPLN에 굴절율 변화를 유도한다. 상기 PPLN의 굴절률 변화는 상기 광도파로를 진행하는 신호광의 모드를 기본 모드에서 고차 모드로 변환한다. 이에 따라, 테라 헤르즈(THz)의 광변조가 가능하다.
통상적으로, 광도파로의 구조가 정해진 경우, 상기 광도파로를 진행하는 모드는 경계조건에 의하여 정해진다. 한편, 상기 광도파로 주위에 배치된 전극을 통하여 외부 전기장을 인가하여, 격자 구조를 유도할 수 있다. 이러한 방식의 광변조는 변조 속도 또는 변조 주파수에 한계가 있다. 따라서, 수십 GHz 이상의 빠른 속도 또는 빠른 변조 주파수를 가지는 광-광 변조기 또는 광 펄스 복제기가 요구된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 변조기를 설명하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 기판을 설명하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 기판에 제1 레이저 빔, 신호광, 제2 레이저 빔의 입사 위치를 설명하는 단면도이다.
도 4는 제2 기판에서 제2 레이저 빔에 의한 비선형 효과를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 제2 레이저 빔의 진행 방향을 따라 형성된 굴절률 변화를 설명하는 개념도이다.
도 6는 도 1의 기판에 입사하는 광을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 1의 기판에서 출력하는 광을 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 광 변조 장치(100)는 광변조부(110), 제1 레이저(120), 신호원(130), 및 제2 레이저(140)를 포함한다. 상기 광변조부는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제1 기판(112) 상에 적층된 주기적 분극 반전 패턴(113)을 포함하는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제2 기판(114)을 포함한다.
제1 레이저(120)는 상기 제1 기판(112)과 상기 제2 기판(114)의 경계선 주위에서 상기 주기적 분극 반전 패턴(113)을 가로지르는 방향으로 상기 제1 기판(112)에 입사하고, 진행 방향을 따라 상기 제1 기판(112)이 제1 레이저 빔(S1)을 흡수하여 상기 제1 레이저 빔(S1)의 경로를 따라 가열되어 주위와의 굴절률 차이를 유발하여 광도파로(115)를 형성시킨다. 상기 광도파로는 제1 방향을 따라 형성될 수 있다.
신호원(130)은 상기 광도파로(115)를 따라 진행하는 신호광(S2)을 제공한다.
제2 레이저(140)는 상기 광도파로(115)를 따라 진행하는 펄스 형태의 제2 레이저 빔(S3)을 제공한다. 상기 제2 레이저 빔(S3)은 상기 분극 반전 패턴(113)에 에바네슨트(evanecsent) 전기장을 인가하여 상기 진행 방향을 따라 주기적인 굴절률 변화를 유발하여 상기 신호광(S1)을 기본 모드에서 고차 모드로 변환한다.
상기 광변조부(110)는 제1 기판(112) 및 상기 제1 기판(112) 상에 적층된 제2 기판(114)을 포함한다. 상기 제1 기판(112)은 비선형 매질의 강유전체 결정일 수 있다. 상기 제1 기판(112)은 리튬나이오베이트(LiNbO3), LiTaO3, Zn:LiNbO3 또는 KTiOPO4 일 수 있다. 상기 제2 기판(14)은 주기적으로 분극 반전된 리튬나이오베이트(LiNbO3), LiTaO3, Zn:LiNbO3 또는 KTiOPO4 일 수 있다. 상기 제1 기판은 제1 방향 및 제2 방향에 의하여 정의되는 평면에 배치될 수 있다.
상기 제2 기판(114)은 비선형 매질의 강유전체 결정으로 분극 반전된 리튬나이오베이트(PPLN: Periodically Poled LiNbO3)일 수 있다. 상기 리튬나이오베이트(LiNbO3)는 특정 주기로 이상굴절축(extraordinary axis, ne)에 대해서 분극 반전된 리튬나이오베이트(PPLN: Periodically Poled LiNbO3)가 될 수 있다. 정상 굴절축의 방향은 제1 방향 및 제2 방향일 수 있고, 이상굴절축의 방향은 제3 방향일 수 있다.
상기 리튬나이오베이트의 분극 반전 주기(Λ)는, 상기 광도파로(115)에 전기장이 인가됨에 따라 형성되는 굴절률 분포의 주기와 관련된다. 상기 리튬나이오베이트는 1㎛ 이상 2000㎛ 이하의 분극 반전 주기(Λ)를 가질 수 있다. 상기 분극 반전 패턴(113)은 제2 방향을 따라 연장되어 띠 형태로 배치될 수 있다. 상기 제2 방향에 수직한 제1 방향을 따라 상기 분극 반전 패턴(113)은 주기적으로 배치될 수 있다. 이웃한 분극 반전 패턴은 서로 반대 방향으로 분극될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 기판(112)은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 의하여 정의되는 평면에 배치될 수 있다. 상기 제2 기판(114)은 상기 제1 기판(112)의 배치 평면에 수직한 제3 방향으로 상기 제1 기판(112) 상에 적층되어 형성될 수 있다. 상기 제2 기판(114)의 분극 방향은 양의 제3 방향 또는 음의 제3 방향일 수 있다.
상기 광 변조부(110)의 길이는 제1 방향으로 수 센티미터일 수 있고, 상기 제1 기판(112) 및 제2 기판(114)의 두께는 각각 수 밀리미터일 수 있다.
상기 광도파로(115)는 상기 제1 기판(112)의 측면에서 입사한 상기 제1 레이저 빔(S1)에 의하여 형성된다. 상기 제1 레이저 빔(S1)은 제2 방향과 제3 방향에 의하여 정의되는 상기 제1 기판(112)의 일 측면에 입사할 수 있다. 상기 제1 레이저 빔(S1)이 입사하는 지점은 상기 제1 기판(112)과 상기 제2 기판(114)의 경계선에서 상기 제1 기판(112)으로 방향으로 약간 이동한 위치일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 레이저 빔(S1)은 상기 제1 기판(112)에서 제1 방향으로 광도파로를 형성할 수 있다. 상기 제1 레이저 빔(S1)의 파장은 1.064 ㎛ 일 수 있다. 상기 제1 레이저 빔(S1)의 진행 방향 또는 상기 광도파로(115)의 연장 방향은 양의 제1 방향일 수 있다.
상기 제1 레이저(120)는 Nd:YAG 레이저 일 수 있다. 상기 제1 레이저 빔(S1)은 상기 제1 기판(112)에서 흡수되어 국부적으로 온도를 상승시키고, 상기 온도 상승은 굴절률을 변화시킨다. 상기 굴절률 변화는 상기 광도파로(115)를 형성한다. 상기 제1 레이저 빔(S1)의 출력단의 직경은 입력단의 직경보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 광도파로(115)를 진행하는 신호광(S2)의 모드 변화를 유도할 수 있다. 상기 제1 레이저 빔(S1)은 상기 분극 반전 패턴(113)을 수직으로 가로지를 수 있다. 상기 제1 레이저 광(S1)은 상기 분극 반전 패턴(113)의 분극 방향에 수직인 제2 방향으로 선편광될 수 있다. 즉, 상기 제1 레이저 광(S1)은 제2 방향으로 선편광될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 레이저 광(S1)은 상기 제2 기판(114)에 의하여 영향을 받지 않을 수 있다.
신호원(130)은 신호광(S2)을 출력하고, 상기 신호광(S2)은 상기 광도파로(115)를 진행한다. 상기 신호광(S2)는 상기 광도파로 내에서 제3 방향으로 선편광될 수 있다. 상기 신호광(S2)의 파장은 상기 분극 반전 패턴(113)의 공간 주기(Λ)에 의존할 수 있다. 구체적으로, 상기 신호광의 파장(λ2)는 변조되기 전의 제1 유효 전파 상수(effective propagation constant; β21)와 변조 후의 제2 유효 전파 상수(β22)의 함수로 표시될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2013005865-appb-M000001
상기 신호광(S2)의 주파수는 가시광 영역 또는 적외선 영역일 수 있다.
제2 레이저(130)는 상기 광도파로(115)를 따라 진행하는 펄스 형태의 제2 레이저 빔(S3)을 제공한다. 상기 제2 레이저 빔(S3)은 펨토 초 정도의 짧은 펄스 폭을 가진다. 이에 따라, 상기 제2 레이저 빔(S3)이 상기 제1 기판(112)에서 진행하는 경우, 상기 제2 레이저 빔이 존재하는 유효 거리(L)는 펄스 폭(DT)과 빛의 속도(c)의 곱으로 표시될 수 있다. 따라서, 유효 거리(L)는 대략 수 밀리미터 이하일 수 있다. 즉, 정지된 시간에서, 상기 제2 레이빔(S3)이 상기 제1 기판의 일부분에만 존재할 수 있으며, 상기 제2 레이저 빔(S3)은 상기 제1 기판(112)에 비선형 효과를 유발하여, DC 전기장(E_DC)를 생성할 수 있다. 상기 DC 전기장은 상기 제1 기판에 인가되는 외부 전기장(E)와 분극(P)의 관계에 의하여 형성될 수 있다.
상기 DC 전기장(E_DC)은 상기 제2 기판(114)에 에바네슨트 전기장으로 작용하여, 상기 제2 기판(114)의 상기 분극 반전 패턴(115)은 주기적인 굴절률 변화를 유발하여 격자 구조를 형성할 수 있다.
상기 제2 레이저 빔(S3)은 간접적으로 상기 분극 반전 패턴(115)에 에바네슨트(evanecsent) 전기장을 인가하여 상기 진행 방향을 따라 주기적인 굴절률 변화를 유발하여 격자 구조를 제공한다. 상기 격자 구조는 상기 신호광(S2)의 기본 모드를 고차 모드로 변환한다. 구체적으로, 상기 기본 모드는 LP01 모드일 수 있고, 고차 모드는 LP1x 모드(x=1, 2, 3, 4...)일 수 있다. 상기 제2 레이저 빔(S3)의 펄스 폭은 펨토 초(femto second)일 수 있다. 상기 제2 레이저(140)는 780 nm의 파장을 가진 Ti-사파이어 레이저일 수 있다.
상기 제2 레이저 빔(S3)은 제3 방향으로 선편광될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 레이저 빔(S3)의 전기장(Ez)은 제3 방향 성분을 가진다. 상기 제2 레이저 빔(S3)은 진행파이다. 상기 제2 레이저 빔(S3)의 진행속도로 이동하는 좌표계에서 보면, 상기 전기장(Ez)은 진행 방향을 따라 일정하다. 따라서, 비선형 매질의 효과에 의하여, 다음과 같은 굴절률 변화가 발생할 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2013005865-appb-M000002
여기서, Δnz는 굴절률의 변화이고, ne는 이상굴절축(extraordinary)에 대한 굴절률이고, r33은 전광계수(electro-optical coefficient)이다. 예를 들어, 양의 제3 방향으로 분극된 PPLN은 양의 굴절률 변화를 야기하고, 음의 제3 방향으로 분극된 PPLN은 음의 굴절률 변화를 야기할 수 있다. 이에 따라, 굴절률 변화는 주기적으로 진행 방향 또는 제3 방향을 따라 형성된다. 이러한 격자 구조는 광도파로를 진행하는 전자기파의 모드 변환을 유발한다. 따라서 효율적인 모드 변환을 위하여, 변조되기 전의 제1 유효 전파 상수는 수학식 1의 조건을 만족하여야 한다.
한편, 상기 제1 레이저 빔(S1)의 위치가 상기 제1 기판(112)과 제2 기판(114)의 경계면에 너무 가까우면, 상기 제1 레이저 빔(S1)에 의하여 형성된 광도파로의 형태는 왜곡될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 레이저 빔(S1)의 직경이 작아지면, 상기 광도파로(115)의 직경이 감소하여, 상기 광도파로(115)는 단일모드 도파로가 될 수 있다. 그러나, 상기 단일모드 도파로는 신호광(S2)의 모드 변환을 유발할 수 없다. 따라서, 상기 광도파로(115)의 직경이 이중 모드 도파로가 되도록, 상기 제1 레이저 빔(S1)의 직경 및 위치가 결정될 필요가 있다. 이에 따라, 상기 제1 레이저 빔(S1)은 상기 제1 기판(112)과 상기 제2 기판(112)의 경계면에 가까운 상기 제1 기판(112)에 입사할 수 있다.
상기 제1 기판(112)의 앞에는 렌즈부(153)가 배치되어, 상기 제1 기판(112)에 입사하는 제1 레이저 빔(S1)의 크기 또는 위치를 조절할 수 있다.
제1 레이저 빔(S1)의 형태는 가우시안(Gaussian) 형태이고, 상기 제1 레이저 빔(S1)의 반경은 수 내지 수십 마이크로 미터일 수 있다. 또한, 상기 신호광(S2)의 빔 반경은 수 내지 수십 마이크로 미터일 수 있다. 또한, 상기 제2 레이저 빔(S3)의 빔 반경은 수 내지 수십 마이크로 미터일 수 있다. 상기 제2 레이저 빔(S3)은 펨토 초의 펄스 폭을 가지고, 펨트 초 이상의 주기를 가지고 광변조를 수행할 수 있다. 이에 따라, 매우 빠른 광변조가 가능하다.
상기 제1 레이저 빔(S1)은 제2 방향으로 선편광되고, 상기 신호광(S2)은 제3 방향으로 선편광되고, 상기 제2 레이저 빔(S3)은 제3 방향으로 선편광될 수 있다.
상기 제1 레이저(120)는 상기 제1 레이저 빔(S1)을 제1 편광 빔 스플리터 (polarization beam splitter; 150)를 통하여 상기 광변조부(110)에 제공한다. 상기 제1 레이저(120), 상기 제1 편광 빔 스플릿터(150), 및 상기 광변조부(110)는 제1 방향을 따라 연속적으로 배치된다.
상기 제2 레이저(140)는 제3 방향으로 선편광되고 음의 제2 방향으로 진행하는 제2 레이저 빔(S3)을 생성하여 상기 제1 편광 빔 스플릿터(150)에 제공한다. 상기 제1 편광 빔 스플릿터(150)는 제공받은 제2 레이저 빔(S3)의 진행 방향을 90도 방향 전환하여 제1 방향으로 제공한다.
상기 신호원(130)은 제3 방향으로 편광되고 음의 제2 방향으로 진행하는 신호광(S2)을 생성하여 상기 제1 편광 빔 스플릿터(150)에 제공한다. 상기 제1 편광 빔 스플릿터(150)는 제공받은 상기 신호광(S2)의 진행 방향을 90도 방향 전환하여 제1 방향으로 제공한다.
상기 광변조부(110)를 통과한 상기 제1 레이저 빔(S1)은 제2 편광 빔 스플릿터(160)를 통하여 제1 방향으로 계속 진행할 수 있다.
한편, 상기 광변조부(110)를 통과한 상기 제2 레이저 빔(SS3)은 상기 제2 편광 빔 스플릿터(160)를 통하여 90 방향 전환하여, 음의 제2 방향으로 진행할 수 있다. 또한, 상기 광변조부(110)를 통과한 상기 신호광(SS2)의 기본 모드 또는 고차 모드는 상기 제2 편광 빔 스플릿터(160)를 통하여 90 방향 전환하여, 음의 제2 방향으로 진행할 수 있다.
파장 필터(170)는 상기 제2 편광 빔 스플릿터(160)를 통과하여 음의 제2 방향으로 진행하는 제2 레이저 빔(SS3) 및 상기 신호광(SS2)을 제공받아 선택적으로 신호광(SS2)을 출력한다.
상기 파장 필터(170)를 통과한 상기 신호광(SS3)은 모드 선택 결합기(180)에 제공된다. 상기 모드 선택 결합기(180)는 고차 모드와 기본 모드를 분리할 수 있다.
결국, 상기 신호광(S2)은 제2 레이저 빔(S3)으로 변조되고, 상기 신호광은 기본 모드에서 고차 모드로 변조되어 출력될 수 있다. 상기 신호광의 변조는 상기 제2 레이저 빔의 펄스 폭 및 주기에 의존한다. 상기 제2 레이저 빔(S3)의 펄스폭은 테라헤르츠 영역으로 매우 짧다. 따라서, 종래의 전기적 방법으로 구현할 수 없는 고속의 변조가 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

Claims (9)

  1. 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제1 기판 및 상기 제1 기판 상에 적층되고 주기적 분극 반전 패턴을 포함하는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제2 기판을 포함하는 광변조부;
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 경계면 주위에서 상기 주기적 분극 반전 패턴을 가로지르는 방향으로 상기 제1 기판에 입사하여 진행 방향을 따라 상기 제1 기판이 제1 레이저 빔을 흡수하여 상기 제1 레이저 빔의 경로를 따라 가열되어 주위와의 굴절률 차이를 유발하여 제1 방향으로 광도파로를 형성시키는 제1 레이저;
    상기 광도파로를 따라 진행하는 신호광을 제공하는 신호원; 및
    상기 광도파로를 따라 진행하는 펄스 형태의 제2 레이저 빔을 제공하는 제2 레이저를 포함하고,
    상기 제2 레이저 빔은 상기 분극 반전 패턴에 DC 전기장을 인가하여 상기 광도파로를 따라 주기적인 굴절률 차이를 유발하고 상기 신호광을 기본 모드에서 고차 모드로 변조하는 것을 특징으로 하는 광-광 변조 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔은 상기 제1 방향에 수직하고 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 경계면에 있는 제2 방향으로 선편광되고, 상기 제2 레이저 빔 및 상기 신호광은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 선편광되고,
    상기 제1 레이저 빔을 제공받아 상기 제1 기판의 일 측면에 제공하고, 상기 제2 레이저 빔 및 상기 신호광을 제공받아 90도 진행 방향을 꺾어 상기 제1 기판의 일 측면에 제공하는 제1 편광 빔 스플릿터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광-광 변조 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 기판의 타 측면을 통과한 상기 제1 레이저 빔을 제공받아 그 진행 방향으로 출력하고,
    상기 제1 기판의 타 측면을 통과한 상기 제2 레이저 빔 및 상기 신호광을 제공받아 진행 방향을 90도 꺾어 출력하는 제2 편광 빔 스플릿터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광-광 변조 장치.
  4. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 편광 빔 스플릿터의 뒤에 배치되어 상기 제2 레이저 빔 및 상기 신호광을 제공받아 상기 신호광을 선택적으로 출력하는 파장 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광-광 변조 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 파장 필터의 뒤에 배치되어 상기 신호광을 제공받아 기본 모드와 고차 모드를 분리하는 모드 선택 결합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광-광 변조 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판은 LiNbO3, LiTaO3, Zn:LiNbO3 및 KTiOPO4 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광-광 변조 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 주기적 분극 반전 패턴의 주기(Λ)와 상기 신호광의 변조 전 유효 전파 상수(β21)와 변조 후 유효 전파 상수(β22)는
    Figure PCTKR2013005865-appb-I000002
    관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광-광 변조 장치.
  8. 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제1 기판과 주기적 분극 반전 패턴을 포함하는 비선형 매질의 강유전체 결정으로 형성된 제2 기판을 결합하는 단계;
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 경계선 주위에서 상기 제1 기판에 분극 반전 패턴을 수직으로 가로지르는 진행 방향을 따라 제1 레이저 빔을 제공하여 상기 제1 레이저 빔의 경로를 따라 가열되어 주위와의 굴절률 차이를 유발하여 광도파로를 형성시키는 단계;
    상기 광도파로를 따라 진행하는 신호광을 제공하는 단계; 및
    상기 광도파로를 따라 진행하는 펄스 형태의 제2 레이저 빔을 제공하여 모드 변환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으하는 광-광 변조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 기판은 상기 제2 기판의 배치 평면에 수직인 방향으로 분극 반전되고,
    상기 제2 레이저 빔은 상기 분극 반전 패턴에 에베네슨트 전기장을 인가하여 상기 진행 방향을 따라 굴절률 변화를 주기적으로 유발하여 상기 신호광을 기본 모드에서 고차 모드로 변조하는 것을 특징으로 하는 광-광 변조 방법.
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