KR102173004B1 - 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 액정분자가 수직방향으로 배향되는 하부기판; 및 상기 하부기판과 마주하고 액정분자가 수평방향으로 배향되는 상부기판을 포함하되, 각각 상이한 배향조건을 갖는 상기 하부기판과 상기 상부기판을 마주보도록 포갠 뒤 볼 스페이서를 이용하여 셀 구조로 제작되어 전기장(자기장) 및 온도 변화에 따라 가시광 영역에서 적외선 영역까지 넓은 범위에 걸쳐 파장 가변이 가능한 효과가 있다.

Description

액정 기반의 광대역 파장 가변 필터{WIDE BAND TUNABLE NOTCH FILTER BASED ON SIDE-POLISHED FIBER WITH LIQUID CRYSTAL}

본 발명은 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 카이랄 액정(콜레스테릭 액정)의 주기적인 격자구조로 배열하는 특성을 이용한 것으로, 측면연마광섬유 단면에 카이랄 액정으로 격자구조를 형성하여 광대역 밴드 폭을 갖는 광원이 측면 연마 광섬유에 입사하였을 때, 소멸파(evanescent wave) 성분 중 격자 구조의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족하는 파장이 반사되는 원리를 이용한 파장 필터로, 카이랄 액정에 가해준 온도 또는 전기장 세기 변화에 의해 카이랄 액정에 의한 격자무늬가 회전하면서 브래그 조건이 변하여 반사되는 파장을 가변시켜줄 수 있는 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 관한 것이다.

종래의 노치필터는 사용 가능한 파장 영역이 고정되어있고 또한 부피가 큰 필름형태로 제작되기 때문에 파장영역의 가변이 용이하지 못한 문제점이 있고, 또한 기기들의 소형화 및 컴팩트화가 트렌드인 현 시점에서 부피를 작게 해야 할 필요가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0560081호(2006.03.06)

상술한 문제점을 해결하고, 상술한 필요에 따라 본 발명은 카이랄 액정(콜레스테릭 액정)의 주기적인 격자구조로 배열하는 특성을 이용한 것으로, 측면연마광섬유 단면에 카이랄 액정으로 격자구조를 형성하여 광대역 밴드 폭을 갖는 광원이 측면 연마 광섬유에 입사하였을 때, 소멸파(evanescent wave) 성분 중 격자 구조의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족하는 파장이 반사되는 원리를 이용한 파장 필터로, 카이랄 액정에 가해준 온도 또는 전기장 세기 변화에 의해 카이랄 액정에 의한 격자무늬가 회전하면서 브래그조건이 변하여 반사되는 파장을 가변시켜줄 수 있는 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터를 제공하는 데 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 액정분자가 수직방향으로 배향되는 하부기판; 및 상기 하부기판과 마주하고 액정분자가 수평방향으로 배향되는 상부기판을 포함하되, 각각 상이한 배향조건을 갖는 상기 하부기판과 상기 상부기판을 마주보도록 포갠 뒤 볼 스페이서를 이용하여 셀 구조로 제작된 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터의 하부기판은 석영유리; 소정의 곡률로 상기 석영유리에 삽입되어 있는 단일모드광섬유; 상기 석영유리 상부에 ITO(Indium Tin Oxide) 물질이 코팅되거나, 금속 코팅되어 형성된 하부 전극층; 및 상기 전극층 상부에 레시틴(Lecithin) 물질이 코팅되어 액정분자가 수직배향 되는 수직 배향층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터의 단일모드광섬유는 윗면 중앙 부분의 클래딩 영역이 연마되어 두께가 얇아짐에 따라 진행하는 빛의 소멸파(Evanescent wave) 성분이 약 2mm 길이에 걸쳐 외부 물질과 상호 작용하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터의 상부기판은 탄산나트륨(소다회)을 원료로 사용한 소다석회유리; 상기 소다석회유리의 하부에 ITO(Indium Tin Oxide) 물질이 코팅되어 형성된 상부 전극층; 상기 상부 전극층의 하부에 폴리이미드(Polyimide)물질이 코팅되어 액정분자가 수평배향 되는 수평배향층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터의 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 전기장 또는 자기장을 인가하여 콜레스테릭 격자의 방향을 조절함으로써 필터링되는 파장을 가변하는 것을 특징으로 하는 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터의 상기 하부기판과 상기 상부기판에 온도를 변화시켜 콜레스테릭 격자의 방향을 조절함으로써 필터링 되는 파장을 가변하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 전기장(자기장) 및 온도 변화에 따라 가시광 영역에서 적외선 영역까지 넓은 범위에 걸쳐 파장 가변이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 광 섬유 소자 타입으로 제작하여 별도의 광정렬 없이 손쉽게 광섬유 시스템에 적용가능하며 광손실이 적고 손쉽게 필터 가변이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 콜레스테릭 격자 구조가 측면연마광섬유 클래딩 영역에 형성된 필터소자로 필터의 구동 가능한 파장영역이 가시광 영역에서 적외선영역까지 매우 넓고, 측면연마된 영역 내에 콜레스테릭 피치의 길이가 수 um이며, 수 mm 범위에 걸쳐 콜레스테릭 격자가 약 수 천개 형성되기 때문에 높은 광차단 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 가해준 전기장의 세기에 따른 노치필름 특성을 관측하기 위한 실시 예의 광 정렬 모식도이다.
도 3은 실제 제작한 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 대한, 파장 훑음 레이저 광원의 출력 스펙트럼을 파장영역, 시간영역에서 각각 측정한 데이터 그래프 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 전기장을 인가했을 때 텍스쳐 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 온도를 증가시켰을 때의 텍스쳐 이미지이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터의 단면도이다.

상세한 구성의 설명에 앞서, 카이랄 액정은 도 1에 도시된 바와 같이 스스로 주기적인 나선구조로 배열하는 특성을 가진 물질로 1차원 광결정 구조를 갖는다.

나선축에 나란하게 빛이 입사하면 파장성분 중, 브래그 조건을 만족하는 성분이 반사할 수 있다. 카이랄 액정의 나선축이 측면연마광섬유(Side-polished fiber)위에 나란하게 배열하면 연마된 광섬유 경계면을 따라 진행하는 소멸파 일부가 브래그 조건에 의해 반사할 수 있다.

따라서 넓은 밴드 폭을 갖는 입사 빛 중에서 측면연마 광섬유를 진행할 때 투과빔 스펙트럼 일부가 진행할 수 없도록 하는, 즉 노치필터 역할을 할 수 있다.

브래그 반사 원리를 이용한 필터의 경우 반사면 수, 입사각도, 굴절률 변화율 등에 의해 반사율이 달라지기 때문에 이를 조절하여 필터 성능을 바꿔줄 수 있다.

본 발명에서는 고 반사율을 유지하면서 광대역 가변 가능한 노치필터 제작을 위해 카이랄 액정 격자 배열을 수 mm로 넓은 거리에 균일하게 형성하였고, 온도 또는 전기장 세기에 따라 약 수십도 회전하는 특성으로 브래그 조건이 변하여 반사되는 파장성분이 가변되도록 하였다

추가적으로, 격자가 회전하면 반사면에 수직입사하지 않고 비스듬히 입사하게 되어 이웃한 두 반사층에서 반사된 빔 사이의 광경로 차이가 변하여 결국 보강간섭이 일어나는 파장대역이 변하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 하부기판(100) 및 상부기판(200)을 포함한다.

상기 하부기판(100)은 석영유리(Quartz glass:110), 단일모드광섬유(120), 하부 전극층(130) 및 수직 배향층(140)을 포함한다.

상기 하부기판(100)의 석영유리(110)는 25×10×2mm 크기를 가진다.

상기 단일모드광섬유(120)는 25cm 곡률로 상기 석영유리(110)에 삽입되어있다.

상기 단일모드광섬유(120)는 연마되어있는 윗면의 중앙 부분의 클래딩 영역이 기존 광섬유 클래딩 두께보다 얇기 때문에 진행하는 빛의 Evanescent wave가 약 2mm 길이에 걸쳐 외부 물질과 상호 작용하게 된다.

상기 하부 전극층(130)은 상기 하부기판(100)의 상기 석영유리(110) 상부에 ITO(Indium Tin Oxide) 물질이 코팅되어 형성된다.

상기 수직 배향층(140)은 상기 전극층(130) 상부에 레시틴(Lecithin) 물질이 코팅되어 형성된다.

한편, 상기 상부기판(200)은 소다석회유리(Soda lime glass: 210), 상부 전극층(220), 및 수평배향층(230)을 포함한다.

상기 소다석회유리(210)는 탄산나트륨(소다회)을 원료로 사용한 유리 기판이다.

상기 상부 전극층(220)은 상기 소다석회유리(210)의 하부에 ITO(Indium Tin Oxide) 물질이 코팅되어 형성된다.

상기 수평배향층(230)는 상기 상부 전극층(220)의 하부에 폴리이미드(Polyimide)물질이 코팅되어 액정분자가 수평배향 될 수 있도록 하였다.

그 후 일정한 방향으로 러빙작업을 하여 상기 액정분자들의 경계조건을 형성하였다. 제각각 다른 배향조건을 갖는 두 유리를 마주보도록 포갠 뒤 볼 스페이서를 이용하여 셀 구조로 제작하였다.

상기 셀의 두께와 콜레스테릭 피치와의 비율이 약 1.5에서 2 사이가 되면 균일한 줄무늬 모양의 uniform lying helix texture가 형성되어 콜레스테릭 격자가 만들어 진다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 온도, 또는 전기장 세기에 따라 피치 길이가 변하면서 콜레스테릭 격자가 회전하게 되며, 이에 따라 투과되는 밴드 영역이 변하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 가해준 전기장의 세기에 따른 노치필름 특성을 관측하기 위한 실시 예의 광 정렬 모식도이다.

두 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)를 이용하여 광대역 파장 훑음 레이저를 광원으로 사용하였고, 이를 제작한 측면연마 광섬유 기반의 콜레스테릭 노치 필터 소자에 입사하여 가해준 전가장의 세기에 따라 필터의 중심파장을 가변시킬 수 있다.

도 3은 실제 제작한 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 대한 파장 훑음 레이저 광원의 출력 스펙트럼을 파장영역, 시간영역에서 각각 측정한 데이터이다. 10dB 밴드폭 약 133nm, 중심파장 1310nm, 평균파워 약 80mW 출력특성을 갖으며, 이를 이용해 본 발명에서 제안하는 노치필터의 투과 특성을 측정할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 전기장을 인가했을 때의 텍스쳐 이미지이다. 사각파 5kHz 전기장 세기가 0.22V/um인가 되었을 때 콜레스테릭 격자 방향이 반시계방향으로 약 7도 회전하였다. 이는 전기장 세기가 증가함에 따라 피치가 길어져서 상기 수직배향층(140) 근처에 형성되는 액정분자 배열 방향이 변하기 때문이다. 이를 기반으로 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 필터링되는 파장을 가변할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 온도를 증가시켰을 때의 텍스쳐 이미지이다.

셀 기판 온도가 37도로 증가했을 때 콜레스테릭 격자 방향이 시계방향으로 약 28도 회전하였다. 이는 온도가 증가함에 따라 피치가 짧아져서 마찬가지로 상기 수직배향층(140) 근처에 형성되는 액정분자 배열 방향이 반대 방향으로 변하기 때문이다. 이를 기반으로 온도 변화에 따른 필터링되는 파장을 가변할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터는 전기장 및 자기장 세기 및 온도 변화를 이용해 콜레스테릭 격자 방향을 조절할 수 있고, 가해준는 물리량(전기장, 자기장, 또는 온도변화 등)에 따른 광센서로도 동작이 가능하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 하부기판
110 : 석영유리(Quartz glass)
120 : 단일모드광섬유
130 : 하부 전극층
140 : 수직배향층
200 : 상부기판
210 : 소다석회유리(Soda lime glass)
220 : 상부 전극층
230 : 수평배향층

Claims (6)

1. 액정 기반의 광대역 파장 가변 필터에 있어서,
   액정분자가 수직방향으로 배향되는 하부기판; 및
   상기 하부기판과 마주하고 액정분자가 수평방향으로 배향되는 상부기판을 포함하되,
   각각 상이한 배향조건을 갖는 상기 하부기판과 상기 상부기판을 마주보도록 포갠 뒤 볼 스페이서를 이용하여 셀 구조로 제작되고,
   상기 상부기판은
   탄산나트륨(소다회)을 원료로 사용한 소다석회유리;
   상기 소다석회유리의 하부에 ITO(Indium Tin Oxide) 물질이 코팅되어 형성된 상부 전극층;
   상기 상부 전극층의 하부에 폴리이미드(Polyimide)물질이 코팅되어 액정분자가 수평배향 되는 수평배향층을 포함하고,
   상기 하부기판은
   석영유리;
   소정의 곡률로 상기 석영유리에 삽입되어 있는 단일모드광섬유;
   상기 석영유리 상부에 ITO(Indium Tin Oxide) 물질이 코팅되거나, 금속 코팅되어 형성된 하부 전극층; 및
   상기 전극층 상부에 레시틴(Lecithin) 물질이 코팅되어 액정분자가 수직배향 되는 수직 배향층을 포함하고,
   상기 상부기판과 상기 하부기판 사이에 콜레스테릭 액정을 포함하고,
   상기 단일모드광섬유는 측면연마광섬유(Side-polished fiber)이고,
   상기 셀의 두께와 상기 콜레스테릭 액정의 콜레스테릭 피치의 길이 비율은 1.5 내지 2이고,
   상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 전기장 또는 자기장을 인가하거나, 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 온도를 변화시켜 상기 콜레스테릭 액정의 격자 방향을 조절함으로써 필터링되는 파장이 조절되는 것을 특징으로 하는
   액정 기반의 광대역 파장 가변 필터.
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