KR20070106609A - 유체 광도파로 - Google Patents

Abstract

광도파로는 바디(13)를 포함하며, 상기 바디는 캐비티를 통과하는 광학 경로(13)을 한정하는 입구 창(9)과 출구 창(11)을 포함한다. 캐비티는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)를 포함하며, 메니스커스에 의해 한정된 제 1 유체와 제 2 유체 간 경계면을 갖는다. 메니스커스는 광학 경로를 따라 길이방향으로 놓인다. 메니스커스를 조정하기 위한 수단이 제공되는데, 예컨대 전압원과 적어도 두 개의 전극이다. 전자습윤은 유체에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다.

Description

유체 광도파로{FLUID OPTICAL WAVEGUIDE}

본 발명은 광도파로 및 광학 신호를 가이드하는 방법에 관한 것이다.

광도파로는 매우 다양한 상이한 응용 분야에 이용된다. 광도파로는 통신 및 센서 분야와 레이저 캐비티 구성에서 일반적으로 사용된다. 도파로가 만들어진 물질의 특성{예컨대, 고정된 굴절율 또는 경사도 지수(gradient index)가 존재하느냐의 여부}과 함께 도파로의 형상은 전파 모드를 결정하며, 이에 의해 도파로의 광학 특성을 결정한다.

일반적으로, 도파로의 단면 형상은 고정된 채 유지되며, 이는 실질적으로 고정된 전파 모드를 초래한다. 도파로 모드의 전파 정수(propagation constants)는 도파로 층의 굴절율에서의 변화를 유도함으로써, 예컨대 온도를 변화시킴으로써 변할 수 있으나, 일반적으로 굴절율에서의 임의의 변화는 전파 모드의 모양에서의 충분한 변화를 유도하기엔 너무나 작다.

보다 유연한 도파로 시스템의 일 예는, 도파로 광학 스위치에 대한 마이크로 유체 제어, 가변 감쇠기, 및 다른 광학 디바이스를 기술하는 미국 특허 출원 공개 US 20030012483A1에서 공개된다. 이 문헌에서, 디바이스는 광학 신호를 스위칭하고, 감쇠시키고, 차단시키고, 필터링하고, 혹은 위상 시프트시키기 위해, 마이크로 채널에서 유체에 의해 운반되는 요소들을 사용한다. 특정 실시예에서, 마이크로채널은 도파로를 통해 이동하는 광학 신호의 광학 전력의 적어도 일부분과 상호작용하는 가스 혹은 액체인 슬러그(slug)를 운반한다. 마이크로채널은 도파로의 일부 도금(cladding), 일부 코어(core) 및 도금, 혹은 일부 코어만을 형성할 수 있다. 마이크로채널은 또한 단부(end)를 가질 수 있거나, 루프(loop) 혹은 연속 채널로서 구성될 수 있다. 유체 디바이스는 자기-래칭(self-latching) 혹은 세미-래칭(semi-latching) 상태일 수 있다. 마이크로채널 내 유체는 전자습윤(electrowetting)을 포함한 다양한 상이한 방법을 사용하여 이동된다.

모든 경우에 있어서, 고정된 도파로 형상은 디바이스의 기능을 제작 내 한정된 바와 같은 기능으로 제한하며, 이 가공은 통상적으로, 마이크로-머시닝(micro-machining)에 의해 이루어지며, 여기서 리소그래피(lithography)와 에칭(etching)은 칩의 레이아웃을 고정시킨다. 따라서, 문제는, 도파로에서 전파 모드(들)의 전파 정수를 연속적인 방법으로 변화시키는 방법이다. 이 문제를 해결함으로써, 제작 프로세스가 디바이스의 기능을 위한 덜 제한적인 인자이기 때문에, 도파로 디바이스의 다양성/기능성의 상당한 개선을 초래한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 종래의 기술에 대해 개선하는 것이다.

본 발명의 제 1 양상에 따라, 바디(body)를 포함하는 광도파로가 제공되는데, 상기 바디는 캐비티를 통하는 광학 경로를 한정하는 입구 창(entrance window) 및 출구 창(exit window)을 포함하며, 상기 캐비티는 제 1 유체 및 제 2 유체를 포함하며 제 1 유체 및 제 2 유체 간 경계면(interface)은 메니스커스에 의해 한정되고, 상기 메니스커스는 광학 경로를 따라 길이 방향으로 놓인다.

본 발명의 제 2 양상에 따라, 도파로의 바디의 입구 창에서 광학 신호를 수신하는 단계와 바디의 캐비티를 통하여 바디의 출구 창 쪽으로 광학 경로를 따라 광학 신호를 가이드하는 단계를 포함하는 광학 신호를 가이드하는 단계를 포함하는 방법이 제공되며, 여기서 캐비티는 제 1 유체 및 제 2 유체를 포함하며 제 1 유체 및 제 2 유체를 포함하며 제 1 유체 및 제 2 유체 간 경계면(interface)은 메니스커스에 의해 한정되고, 상기 메니스커스는 광학 경로를 따라 길이 방향으로 놓인다.

본 발명으로 인해, 동작시 매우 큰 유연성을 가지는 광도파로를 제공하는 것이 가능하다. 이러한 도파로의 전파 특성은 도파로 바디의 캐비티에서 두 개의 혼합될 수 없는 유체들 간의 경계면인 메니스커스의 형상을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.

본 발명은 스위칭 가능한 유체 도파로 디바이스를 지원한다. 이러한 스위칭은 캐비티 내 유체의 형상을 변경시킴으로써 구현될 수 있으며, 이는 유체 도파로의 가이드 특성에서의 변화를 초래한다. 이 스위칭은 제 1 및 제 2의 혼합될 수 있는 혼합될 수 없는 유체 사이에서 메니스커스의 형상에서의 변화를 이용함으로써 실현된다. 메니스커스의 형상은 두 유체와 투명 기판으로 구성되는 광도파로 시스템의 가이드{모달(modal)} 특성을 결정한다. 이 메니스커스는 전자습윤력에 의해 변할 수 있다. 도파로의 형상을 변화시킴으로써(즉, 메니스커스의 형상을 변화시킴으로써) 도파로의 가이드 특성이 변경되며, 따라서, 도파로의 입력 및 출력 단부 사이에서 광학 신호의 전달이 제어될 수 있다.

본 발명은 예컨대, 조명(광 분포 조작), 센서 응용( 어드레스 가능한 센서, 바이오센서를 위한 빌딩 블록), 광학 원격 통신(광학 스위칭) 분야에 응용되며, 또한 연속으로 변하는 도파로를 생성하는 레이저 캐비티의 빌딩 블록으로서 응용될 수 있다. 이 모든 경우에 있어서, 스위칭 가능한 유체 도파로는 디바이스/응용 예의 다양성을 매우 높인다.

유리하게는, 도파로는 메니스커스를 조정하기 위한 수단을 더 포함한다. 메니스커스를 조정하기 위한 수단은 바람직하게는 하나의 전압원과 적어도 두 개의 전극을 포함한다. 도파로의 바디를 가로지르는 전극과 전압원의 배열을 제공함으로써, 두 유체 간의 메니스커스는 쉽게 조정될 수 있다. 전극의 개수와 위치의 선택은, 원하는 대로, 비대칭이거나 대칭인 메니스커스를 초래한다.

도파로의 간단한 실시예에 있어서, 바디는 직사각형 캐비티를 한정하는 복수의 측벽(side walls)을 포함하거나, 바디는 둥근 원통형 캐비티를 한정하는 하나의 측벽을 포함한다. 이러한 간단한 물리적 장치들은 수월하게 제조되며, 더 큰 시스템으로 쉽게 통합된다.

바람직하게는, 측벽의 적어도 일부는 히스테리시스 감소 물질로 구성되거나 코팅되어 있다. 캐비티 내에서 히스테리시스의 감소는, 메니스커스를 조정하는 수단의 영향하에 메니스커스가 이동할 것이며, 캐비티의 측벽에 붙지 않고 나머지 위치로 돌아갈 것임을 보증하는데 있어서 중요하다.

도파로의 기본적인 실시예에 있어서, 메니스커스는 캐비티를 통하는 광학 경로를 따라 균일하다. 그러나, 유리하게는, 메니스커스를 조정하기 위한 수단은 캐비티를 통하는 광학 경로를 따라 불균일한 메니스커스를 생성하도록 배열된다. 만약 메니스커스가 캐비티를 따라 불균일하고, 이에 의해, 캐비티를 따라 메니스커스의 일정하지 않은 각을 갖는다면, 도파로의 광학 전파 특성은 캐비티의 길이를 따라 변할 것이다. 이것은, 레이저와 같은, 보다 복잡한 광학 시스템에서 사용될 수 있으며, 광학 특성을 변경시키기 위해 메니스커스의 구성이 변할 수 있다는 추가 이점을 가지는 도파로가 생성되는 것을 허용한다.

바람직하게는, 제 1 유체는 전기적으로 절연성인 액체이고 제 2 유체는 전기적으로 전도성인 액체이거나, 혹은 제 1 유체가 전기적으로 전도성인 액체이고 제 2 유체가 전기적으로 절연성인 액체이다. 이상적으로는, 전기적으로 절연성인 액체는 1.25와 1.50 사이의 굴절율을 가지며, 전기적으로 전도성인 액체는 1.33과 1.50 사이의 굴절율을 가진다. 캐비티 내 두 유체는 혼합될 수 없고, 이들의 상이한 전기적 및 광학적 특성들은 도파로의 가변 전파 모드 기능을 지원하기 위해 결합된다. 캐비티 내 전기적 전도성 액체는 자신의 위치를 변경할 것이고, 따라서, 메니스커스를 조정하기 위한 수단의 영향 하에, 유체들 사이의 메니스커스를 변경할 것이다.

이제 본 발명의 실시예가 예시에 의해 첨부 도면을 참조하여 기술될 것이다.

도 1은 광도파로의 개략적인 투시도.

도 2는 도 1의 도파로를 더욱 자세히 도시하는 단면도.

도 3의 (a)는 제 1 동작 상태에 있는 도 1과 2의 도파로의 상부 평면도 및 단면도.

도 3의 (b)는 도 3의 (a)와 유사한, 제 2 동작 상태에 있는 도 1과 2의 도파로의 상부 평면도 및 단면도.

도 4는 도 2와 유사한, 도파로의 제 2 실시예의 단면도.

도 5는 도파로의 실시예의 등가 지수 및 기본 모드를 도시하는 그래프.

도 6의 (a) 및 도 6의 (b)는 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)와 유사한, 광 섬유 시스템에서 제 1 및 제 2 동작 상태에 있는 도파로의 상부 평면도 및 단면도.

도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)와 유사한, 광 섬유 시스템에서 제 1 및 제 3 동작 상태에 있는 도파로의 상부 평면도 및 단면도.

도 8은 광 섬유 시스템에서 도파로의 제 3 실시예의 상부 평면도 및 단면도.

도 9는 복수의 도파로를 포함하는 레이저의 측면도.

도 10은 도 2와 유사한, 도파로의 제 4 실시예의 단면도.

도 11은 도 10과 유사한, 제 2 위치에 있는 메니스커스를 구비한, 도파로의 제 4 실시예의 측면도.

도 12는 제 4 실시예의 복수의 도파로를 포함하는 센서 디바이스의 상부 평면도.

도 1은 일반적인 형태인 광도파로(1)를 도시한다. 광도파로(1)는 바디(3)를 포함한다. 바디(3)는 캐비티(15)를 통하는 광학 경로(13)를 한정하는 입구 창(9)과 출구 창(11)을 포함하며(도 2 참조), 이 캐비티(15)는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)를 포함한다. 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B) 사이의 경계면은 메니스커스(14)에 의해 한정되고(도2 참조), 메니스커스(14)는 광학 경로(13)를 따라 길이 방향으로 놓인다. 도면에서 화살표 z는 도파로(1)를 통과하는 광학 신호의 방향을 도시한다.

보다 자세한 도파로(1)의 모습은 도 2에 도시되는데, 이는 도 1에 도시된 도파로(1)을 통과하는 단면이다. 메니스커스(14)와 함께, 두 유체(A 및 B)는 메니스커스(14)에서 경계면을 형성하며, 메니스커스(14)는 측벽에 대한 각 α를 형성한다. 본 도면에 있어서, 측벽(10)에서 직사각형 전극(2)은 본 도면의 평면에 직교하는 방향으로 확장한다. 각 전극(2)은, 예컨대 파릴린(parylene)인 절연층(8)으로 덮인다. 메니스커스의 형상에서 히스테리시스를 감소시키기 위해, 유체 접촉층(10)은 DuPont^TM사에서 제조되는 Teflon

AF1600과 같은 히스테리시스 감소 물질로 구성된다.

도파로(1)의 바디(3)의 하부 벽은 투명 기판(4)에 의해 형성되는데, 이 투명 기판은 LiF와 같은 유리 기판일 수 있다. 상부 벽은 상부 전극(12)을 보호하는 커버층(6)(이것은 투명할 필요는 없다)에 의해 형성된다. 캐비티(15)에서, 제 1 유체(A)는 실리콘 오일과 같은 전기적으로 절연성인 제 1 액체이며 1.25에서 1.60 사이의 통상적인 굴절율을 가지고, 제 2 유체(B)는 소금 용액을 포함하는 물과 같은 전기적으로 전도성인 제 2 액체이며 1.33에서 1.50 사이의 통상적인 굴절율을 가진다.

본 실시예에서, 액체(A)의 굴절율이 액체(B)의 굴절율보다 높다고 가정한다. 더욱이, 상기 액체들은 메니스커스(14)의 형상에서 중력의 영향을 회피하기 위해 동일한 밀도를 가지는 것이 바람직하다.

형상의 변형(deformation)에 의한 스위칭 가능한 유체 도파로의 원리는 도 3의 (a)와 도 3의 (b)에 도시되는데, 이는 3층 시스템에 대한 것으로 이 시스템에서, 유체층(N2)의 굴절율은 주변(N1,N3)보다 더 크다. 도파로(1)를 통과하는 단면도인, 도 3의 (a)에서, N1은 도 2의 기판(4)이며, N2는 제 1 유체(A)이며, N3는 제 2 유체(B)이다. 종래의 섬유 광 구성에 있어서, 유체(A)는 도파로의 코어이며, 기판(4)과 유체(B)는 도파로의 하부 및 상부 도금을 형성한다.

도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 있어서 도파로(1)의 구조에 있어서, 통상적인 파라미터는 기판(4)은 LiF로 만들어지고, 파장 500nm에 대해 1.3938의 굴절율을 가지는 것이다. 액체(A)는 1.46의 굴절율을 가지고, 액체(B)는 1.455의 굴절율을 가진다. 메니스커스(14)와 유체 접촉층(10) 사이의 접촉 각 α은 78.7도이다. 유체(A)는 1 마이크론의 중심-에지 높이 차를 가지며, 유체(A)는 중심에서 2 마이크론의 높이를 가진다.

스위칭 가능한 유체 도파로(1)의 원리는 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시된다. 이들 도면에서 광 빔(100)의 형상은 그레이 빔(grey beam)에 의해 도시된다. 도 3의 (a)에서, 스위칭 가능한 유체 도파로(1)은 가이드(온) 상태인데, 여기서 광 학 신호(100)는 수직 방향으로 한정될 뿐만 아니라, 메니스커스(14)의 형상으로 인해 수평 방향으로도 한정된다. 도 3의 (b)에서, 스위칭 가능한 유체 도파로(1)은 광학 신호(100)가 수직 방향으로만 한정되는 곳에서 누설(오프) 상태이다.

가이드 상태에서, 유체막이 충분히 두껍다고 가정한다면, 광(100)은 N2>(N1, N3)일 때 수직 방향으로 한정된다. 광(100)은 또한 유체막의 형상으로 인해 수평 방향으로도 한정된다. 여기서, 메니스커스의 형상은, 광이 수평 방향으로 충분히 큰 지수 대비를 가지도록 한다고 가정된다. 도 3의 (a)의 단면도에서, 광 빔(100)은 어떠한 큰 분산(dispersion)도 없이, 거의 도파로(1)의 중심으로 한정되는 것으로 도시된다.

누설 상태에서, 유체 막이 충분히 두껍다고 가정한다면 광(100)은 N2>(N1,N3)일 때 수직 방향으로 한정된다. 그러나, 광(100)은, 상기 지수가 수평 방향으로 균일할 때, 수평 방향으로 한정되지 않는다. 결과적으로, 포커싱된 입력 빔의 광(100)은 측 방향(lateral direction)으로 한정되지 않고, 수평 방향으로(균일한 매질 내 빔과 유사한 방식으로) 발산한다.

도 3의 (b)에서 단면도에서 도시되는 바와 같이, 두 유체(A 및 B)를 분리시키는 메니스커스(14)는 형상이 변하였고, 도파로(1)의 광학 특성은 마찬가지로 변했다. 도파로(1)로 진입하는 광빔(100)은 전파된다기보다는 이제 분산될 것이다. 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시된 도파로(1)의 실시예는 스위치로서 효율적으로 동작하며 도3의 (a)는, 온(on) 상태를 도시하고 도 3의 (b) 및 오프(off) 상태를 도시한다.

메니스커스(14)의 위치에서의 변화는 (도 2에서 알 수 있는 바와 같이) 전압 V1에 의해 공급된 전압을 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 이것은 도파로(1)의 바디(3)에 걸친 전기장을 변화시킬 것이고, (도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에서 N3로 도시되는) 전기적으로 전도성인 유체(B)에 영향을 미칠 것이다. 도 3의 (b)에서 메니스커스(14)는, 도 3의 (a)에서 표준으로 오목한 부분이었으나, 실질적으로 수평선이다. 메니스커스(14)가 볼록해질 정도로 도파로(1) 위에 장(field)을 변화시키는 것이 가능하지만, 도파로(1)에 의해 광의 전파를 실질적으로 감소시키는 원하는 효과를 달성하기 위해, 메니스커스(14)를 도 3의 (b)에서 도시된 위치로 조정하는 것이 충분하다.

메니스커스의 형상은 전파 방향(도 1에서 z)으로 불변이며, 도파로(1)의 좌/우 쪽에서 전극과 상부/하부 전극 사이에서 z-불변 전압 V1을 변경시킴으로써 제어된다.

도 4는 도파로(1)의 제 2 실시예를 도시한다. 이것은 도 2에 도시된 것과 실질적으로 같으며, 전극(12)의 위치가 도 2에서 도파로의 상부에서 위치로부터 도 4에서의 기판(4) 바로 위의 위치로 이동되었다는 차이점을 갖는다. 실제로, 도파로(1)의 전극의 위치 선정은 설계 선택의 문제이다.

도 4에서, 액체(A)는 소금 용액을 포함하는 물과 같은, 전기적으로 전도성인 제 1 액체이며 1.33과 1.50 사이의 통상적인 지수를 가지고, 액체(B)는 실리콘 오일과 같은, 전기적으로 절연성인 제 2 액체이며, 1.25와 1.60 사이의 통상적인 지수를 갖는다. 하부 전극(12)은 전극에 의한 흡수로 인한 광 손실을 최소화하기 위 해, 바람직하게는 전파 방향으로 와이어(wire) 형상이다.

도 5는 도 1 및 2의 도파로에 대해, 메니스커스의 형상으로 인한 측 방향으로의 등가 지수 및 측면 위치의 함수로서 기본 모드의 측면 세기(intensity) 분포를 도시한다. 전극들 간의 거리는 20 마이크론이다. 효율적인 지수 방법을 사용하여, 3D 도파로 시스템을, 측(전극들 간) 방향으로 등가 지수를 가진 2D 도파로 시스템으로 근사화하는 것이 가능하다. 도 5는 유체(A)의 높이의 함수로서 TE 편광된 광에 대해 측 방향으로 등가 지수를 도시한다.

도파로의 모드는 도파로를 일정한 굴절율의 9개의 슬라이스로 분할함으로써 계산되었다. 이 계산으로부터, 2D 도파로는 4개의 모드를 지원한다고 결론지어졌다. 도 5는 기본 모드의 측면 세기 분포를 도시한다. 4 마이크론의 웨이스트(waist)를 가지는 가우시안 빔으로 유체 도파로를 여기시킴으로써, 광학 전력의 98%를 기본 측면 도파로 모드에 연결시키는 것이 가능하다.

도 6의 (a) 및 도 6의 (b)는 위에서 기술된 바와 같이 z-불변 도파로(1)로 구성된 온-오프 스위치를 도시한다. 입력 및 출력 도파로는 유체의 누설을 회피하기 위해 광학적으로 투명한 물질{예컨대, 기판(4)과 동일한 물질일 수 있음}에 의해 덮인다/폐쇄된다. 도파로(1)는 도파로를 여기시키고 상기 도파로에 의해 가이드된 전력을 수집하기 위해, 입력 섬유(16) 및 출력 섬유(17)에 결합된다. (예컨대, 렌즈 및 검출기 앞에 있는 핀홀에 의한 집합을 사용함으로써) 포커싱된 스폿과 같이, 여기를 위한 다른 수단들도 가능하다.

도 6의 (a)에서, 온-상태에서, 유체(A)와 유체(B) 사이의 메니스커스(14)는 90도보다 작은 접촉 각 α을 가지고, α는 적어도 하나의 가이드된 모드를 지원하기 위해 충분히 작다. 입력 섬유(16)의 모든 광(100)은 가이드 되어 출력 섬유(17)에 전달된다.

도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 오프 상태에서, 유체(A 및 B) 간의 메니스커스(14)는 이제 90도보다 더 큰 접촉 각 α을 가지며, 이는 가이드된 모드를 지원하지 않는 도파로(1)를 초래한다. 입력 섬유(16)으로부터의 광(100)은 수평으로 가이드되지 않으며, 출력 섬유(17)의 방향으로 발산한다. 이 경우, 광(100)의 작은 부분(fraction)(이것은 출력 섬유의 앞에서 빔의 폭에 의존한다)만이 출력 섬유(17)에 의해 수집된다.

도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는 위에서 도시된 바와 같이, z-불면 도파로(1)로 구성되는 가변 광학 감쇠기를 도시한다. 입력 및 출력 도파로는 유체(A 및 B)의 누설을 회피하기 위해 광학적으로 투명한 물질{예컨대, 기판(4)과 동일한 물질일 수 있음}에 의해 덮인다/폐쇄된다. 도파로(1)는 도파로를 여기시키고 상기 도파로에 의해 가이드된 전력을 수집하기 위해, 입력 섬유(16) 및 출력 섬유(17)에 결합된다.

도 6의 (a) 및 도 6의 (b)의 실시예에서와 같이, 유체(A 및 B) 사이의 메니스커스(14)는 90도보다 작은 접촉각 α을 가지며, α는 적어도 하나의 가이드된 모드를 지원하기 위해 충분히 작다. 가변 광학 감쇠기의 적절한 동작(예컨대, 메니스커스의 형상에 대해 단조 감쇠 종속)을 위해, 광학 전력이 단일 모드에 의해 필수적으로 가이드되는 것이 중요하다.

가변 광학 감쇠기는 유체 도파로(1)의 모드와 입력/출력 섬유(16 및 17)의 모드 간의 부정합에 의해 동작한다. 증가된 부정합은 출력 섬유(17)에 의해 수집된 감소된 전력을 초래한다. 입력 섬유(16)에서 출력 섬유(17)로의 전달은 유체(A 및 B)간의 메니스커스의 형상을 변경시킴으로써 제어될 수 있다. 도파로(1)의 바디(3)에 걸친 전기장에서의 임의의 변화는 메니스커스(14)의 형상에서의 변활르 초래하고 메니스커스 형상에서의 경사도 변화는 도파로(1)의 전파 특성에 있어서 비례적으로 경사도 변화를 초래한다. 이것은 도파로(1)가 입력 섬유(16)으로부터 수신되는 광(100)의 가변 전파기(variable propagator)로서 본 실시예에서 사용되도록 한다.

위에서 논의된 모든 실시예들은 유체(A 및 B)간의 메니스커스(14)의 형상이 전파 방향 z로 일정한 z-불변 도파로에 대한 것이다. 전파 방향으로 메니스커스(14)의 형상을 변경시킴으로써, 칩(chip)상에서 도파로의 레이아웃과 기능성을 계속 변경시키는 것이 가능하다.

도 8은 메니스커스(14)의 형상이 입력 섬유(16)와의 경계면으로부터 출력 섬유(17)쪽으로 계속 변경되는 연속 가변 도파로(1)의 일 예를 제공한다. 그 결과, 섬유들이 상이함에도 불구하고, 입력 섬유(16)로부터의 광(100)은 출력 섬유(17)과 정합한다. 도파로(1)는 메니스커스(14)의 형상이 입력 섬유(16)와의 경계면으로부터 출력 섬유(17)쪽으로 계속 변하는 방식으로 동작한다. 메니스커스(14)의 형상은 전파 방향(z)을 따라 좌/우 전극(2)과 상부 전극(12) 간의 전압을 변경시킴으로써 변경될 수 있다.

만약 입력 면에서의 도파로 모드와 입력 섬유 모드간에 완벽한 정합이 존재하고, 출력 면에서의 도파로 모드와 출력 섬유 모드 간에 완벽한 정합이 존재하고, 입력에서 충분히 매끄러운/단열인 출력 면으로의 메니스커스 형상의 변화가 입력 및 출력 면 사이의 어떠한 천이 손실도 야기하지 않는다면, 도 8에서 광(100)의 100% 투과는 도파로(1)에 의해 달성될 것이다. 이것은 전압을 점진적으로 변경시킴으로써 획득되는데, 예컨대, 도파로 1의 시작 부분과 끝부분에서의 전극들 사이에 저항성 물질을 사용함으로써 획득된다. 섬유들 자체가 정합하지 않는다 할지라도, 입력 섬유(16)로부터의 모든 광은 출력 섬유(17)로 전달된다.

도 8의 연속 가변 도파로(1)는 많은 다양한 광학 디바이스에 사용될 수 있다. 그러한 디바이스의 일 예는 도 9에 도시된 레이저 캐비티(laser cavity)이다. 본 도면 9는 연속 가변 도파로로 구성된 레이저 캐비티(18)의 일 예를 도시한다. 레이저 캐비티(18)가 연속 가변 도파로로 구성될 때, 출력 빔 형상 및 레이저의 파장과 같은 레이저 특성을 동조시키는 것이 가능하다.

도 9에 도시된 레이저 캐비티(18)는 미러(20), 반사 방지 코팅(anti-reflection coating)(21), 및 전기적으로 펌핑된 능동 매질(electrically pumped active medium)을 포함한다. 레이저 캐비티(18)는 또한 도 8을 참조하여 기술된 것과 유사하게, 4 개의 연속 가변 도파로(23 내지 26)를 포함한다. 도파로(23 내지 26)는 4개의 분리된 도파로로서 도시되지만, 실제로, 4개의 도파로 모두는 단일 가변 도파로로 대체될 수 있다.

레이저 캐비티(18)에서 도파로의 기능은 다음과 같다: 도파로(23)는 능동 매 질과 정합하기 위한 것이다. 이 도파로에서, 기본 모드는 능동 매질에 의해 생성된 프로파일과 정합한다. 도파로(24)는 모드 선택기이며, 여기서 캐비티 내 광의 모달 프로파일(modal profile)은 단일 모드 도파로 쪽으로 차츰 가늘어지며(tapering down), 상기 단일 모드 도파로에 의해 복사로 전환될 때 압축된 더 높은 차수의 모드를 가진다.

다음 도파로는 챔버(25)이며, 이것은 파장 동조를 위한 것이다. 캐비티(18)의 이 섹션은 세 개의 서브섹션들로 구성된다. 이 섹션의 입력 및 출력 쪽에서 모달 프로파일은 섹션(24)의 단일 모드 도파로와 동일하다. 기본 모드에 의해 겪게 되는 바와 같이, 광학 경로 길이는 도파로의 중심의 폭을 변경시킴으로써 변할 수 있으며, 이는 전파 방향을 따라 실효 굴절율의 변화(단위 길이당 위상 변화는 도파로 모드의 실효 굴절율에 비례한다)를 초래한다. 왕복 위상 시프트(roundtrip phase shift)는 광학 경로 길이에 비례하며, 결과적으로 레이저 캐비티의 공진 파장은 이 섹션에서 중심 도파로의 폭을 변경시킴으로써 동조될 수 있다.

마지막으로, 도파로(26)는 빔 형성기(beam shaper)이다. 이 섹션은 출력 도파로의 폭을 변경시킴으로써 출력 빔을 원하는 폭으로 형성시킨다. 섹션(25)과의 연결은 출력 도파로의 폭 쪽으로 차츰 가늘어지는 섹션에 의해 실현된다.

레이저 캐비티의 본 실시예는 연속 가변 도파로의 강도(strength)를 보여준다. 단일 연속 가변 도파로를 사용함으로써, 능동 매질과의 결합을 손상하지 않고, 공진 파장, 레이저의 단일(측면) 모드 동작의 독립적 제어 및 출력 빔의 제어가 가능하다. 다른 응용 예들을 조명(lighting) 분야에서 찾을 수 있다. 연속 가변 도파 로의 응용으로 광학 디바이스가 광 분포를 조작하는 것이 가능하다.

도파로의 추가적인 실시예가 도 10에 도시된다. 본 도면에서 도파로는 예컨대 도 2에 도시된 것과 유사한 시스템이지만, 기판(4)의 상부에 패턴이 있는 코어 영역(5)이 추가된다. 접촉각 α이 층(B)으로부터 도파로를 분리시키기 위해 충분히 작도록 메니스커스(14)가 위치한다. 패턴이 있는{마루(ridge)} 코어층(5)은 기판(4) 및 유체(A 및 B)의 굴절율보다 더 큰 굴절율을 가진다. 이 층은 코어층(5)에 중심이 있는 도파로 모드를 가지는 도파로 시스템에 대한 코어 영역이다. 도파로 시스템에 의해 지원되는 모드의 수직 방향으로의 세기 패턴은 선(7)으로 도시되는데, 코어(5)에서 가장 높으며 메니스커스(14) 쪽으로 갈수록 감소되는 세기를 가진다. 상기 세기는 코어(5)에서 벗어나서 멀어지면서 지수적으로 감소한다.

도파로의 가이드 특성은, 앞에서와 같이, 유체(A 및 B) 사이의 메니스커스(14)의 형상을 변경시킴으로써 제어될 수 있다. 유체(A 및 B) 사이의 메니스커스를 변경시킴으로써, 유체(B)는 멀리 이동될 수 있거나 혹은 도파로(1)의 코어 영역(5)에 더 가까워질 수 있다. 도 10에 도시된 예에서, 도파로 모드의 수직 세기 패턴은 층(B)에서 거의 영이다. 결과적으로, 상기 모드는 층(B)의 특성에 의해 거의 영향 받지 않는다.

도 11은 도 10의 도파로를 도시하지만, 메니스커스(14)와 측벽(10)과의 접촉 각 α이 상당히 커지도록 조정된 메니스커스(14)를 가진다. 그 결과, 도파로의 모드는, 수직 세기 패턴에서 채워진 영역(19)에 의해 나타나는 바와 같이, 층(B)으로부터 더 이상 격리되지 않는다.

층(B)의 지수의 실수 부분은 모드 패턴의 변화를 초래하며, 가변 광학 감쇠기를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 모드 패턴에서의 변화와 더불어, 층(B)의 존재 역시 광도파로에서의 전파 모드에 의해 겪는 위상의 변화를 초래한다. 이 효과는 예컨대, Mach-Zehnder 간섭계의 브랜치 간의 위상 차의 동조를 위해 사용될 수 있다.

층(B)의 지수의 허수 부분은 도파로 모드에 의해 겪는 손실의 증가를 초래한다. 메니스커스의 형상이 손실량을 제어하기 때문에, 이 원리를 가변 광학 감쇠기에 대한 기초로서 사용할 수 있다. 본 실시예의 원리는 또한 위에서 기술한 바와 같이, z-가변 메니스커스 형상에 응용할 수 있다.

스위칭 응용을 위해 메니스커스 형상의 변경을 이용하는 것 대신, 도 10 및 11의 실시예의 원리를 센서 응용에 적용하는 것 역시 가능하다. 이들 도면을 참조하여, 접촉각 α이 충분히 큰 경우에 대해서만 층(B)의 특성이 도파로 모드의 특성에 영향력을 가짐을 알 수 있다. 이것은 원하는 위치(이것은 좌/우 및 상부 전극 간의 전압을 적절히 선택함으로써 선택될 수 있음)에서 층(B)의 특성만을 측정하는 어드레스 가능한 센서를 향한 길을 열어준다.

예시에서와 같이, 도 10 및 11의 실시예와 유사한 단면을 가지는 직선 도파로로 구성되는 어드레스 가능한 센서의 평면도가 도 12에 도시된다. 본 도면은 일련의 도파로들로 구성되는 어드레스 가능한 센서의 평면도를 도시한다. 검출기는 7개의 섹션으로 분할되는데, 도 12에서는 섹션 4가 어드레스 된다.

직선 도파로의 상부에서의 유체 스택(fluid stack)은 상이한(예에서는 7개) 섹션으로 세부분할된다. 입력에서 검출기까지의 수평선은 센서를 통과하는 광학 신호(100)의 통과를 도시한다. 도파로의 모드는 특정 최소 접촉각 α=< αmin에 대해 층(B)로부터 격리되며, 그 결과 직선 파장의 모드는 α4 > αmin {αmin은 일부 광의 세기가 유체(B)를 통과하게 하기 위해 메니스커스(14)에서 요구되는 최소 각임} 인 섹션(4)에서 층(B)의 특성에 의해서만 영향을 받는다.

많은 센서 응용을 위해, 원하는 파라미터를 결정하기 위해 {이 경우 유체(B)} 그리고 상이한 측정체(measurand)의 농도에 대한 측정을 수행하는 것이 필요하다. 대안으로서, 직선 도파로 모드에 영향을 미치는 분자수를 변경시키는 것과 등가인 접촉 각 α을 역시 변경시킬 수 있다.

(전기장을 가지는 유체에 영향을 미치는) 전자습윤이 상기 실시예에서 사용되었으나, 도파로 내 캐비티 내에서 유체(A 및 B)에 영향을 미치는 많은 다른 방법이 가능하다. 예컨대, 유체 (A 및 B) 사이에 국부적 압력차를 유도하는 것이 메니스커스의 형상을 변경시키기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 광도파로 및 광학 신호를 가이드하는 방법에 대해 이용 가능하다.

Claims (19)

1. 광도파로(1)로서, 바디(body)(3)를 포함하며, 상기 바디(3)는 캐비티(cavity)(15)를 통하는 광학 경로(13)를 한정하는 입구 창(entrance window)(9)과 출구 창(window exit)을 포함하며, 상기 캐비티(15)는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)를 포함하며 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B) 간 경계면(14)은 메니스커스(14)에 의해 한정되고, 상기 메니스커스(14)는 광학 경로(13)를 따라 길이 방향으로 놓이는, 광도파로.
2. 제 1항에 있어서, 메니스커스(14)를 조정하기 위한 수단(2,12,V1)을 더 포함하는, 광도파로.
3. 제 2항에 있어서, 메니스커스(14)를 조정하기 위한 수단(2,12,V1)은 전압원(V1)과, 적어도 두 개의 전극(2,12)을 포함하는, 광도파로.
4. 제 1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 바디(3)는 직사각형 캐비티(15)를 한정하는 측벽(side wall)(10)을 포함하는, 광도파로.
5. 제 1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바디는 둥근 원통형 캐비티를 한정하는 측벽을 포함하는, 광도파로.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 측벽(10)의 적어도 일부는 히스테리시스 감소 물질로 구성되거나 코팅되는, 광도파로.
7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 메니스커스(14)는 캐비티(15)를 통과하는 광학 경로(13)를 따라 균일한, 광도파로.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 메니스커스(14)를 조정하기 위한 수단(2,12,V1)은 캐비티(15)를 통과하는 광학 경로(13)를 따라 불균일한 메니스커스(14)를 생성하도록 배열된, 광도파로.
9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 유체(A)는 전기적으로 절연성인 액체이고, 제 2 유체(B)는 전기적으로 전도성인 액체인, 광도파로.
10. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 유체(A)는 전기적으로 전도성인 액체이고, 제 2 유체(B)는 전기적으로 절연성인 액체인, 광도파로.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 전기적으로 절연성인 액체는 1.25와 1.50 사이의 굴절율을 가지며, 전기적으로 전도성인 액체는 1.33과 1.50 사이의 굴절율을 가지는, 광도파로.
12. 도파로(1)의 바디(3)의 입구 창(9)에서 광학 신호(100)를 수신하는 단계와 바디(3)의 캐비티(15)를 통해 바디(3)의 출구 창(11)으로 광학 경로(13)를 따라 광학 신호(100)를 가이드하는 단계를 포함하는 광학 신호를 가이드하는 방법으로서, 상기 캐비티(15)는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)를 포함하며 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B) 간 경계면(14)은 메니스커스(14)에 의해 한정되고, 상기 메니스커스(14)는 광학 경로(13)를 따라 길이 방향으로 놓이는, 광학 신호를 가이드하는 방법.
13. 제 12항에 있어서, 메니스커스(14)를 조정하는 단계를 더 포함하는, 광학 신호를 가이드하는 방법.
14. 제 13항에 있어서, 메니스커스(14)를 조정하는 상기 단계는 전압원(V1) 및 적어도 두 개의 전극(2,12)에 의해 실행되는, 광학 신호를 가이드하는 방법.
15. 제 12항 내지 제 14항에 있어서, 메니스커스(14)는 캐비티(15)를 통과하는 광학 경로(13)를 따라 균일한, 광학 신호를 가이드하는 방법.
16. 제 13항 또는 제 14항에 있어서, 메니스커스(14)를 조정하는 단계는 캐비티(15)를 통과하는 광학 경로(13)를 따라 불균일한 메니스커스(14)를 생성하도록 배열되는, 광학 신호를 가이드하는 방법.
17. 제 12항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 유체(A)는 전기적으로 절연성인 액체이고, 제 2 유체(B)는 전기적으로 전도성인 액체인, 광학 신호를 가이드하는 방법.
18. 제 12항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 유체(A)는 전기적으로 전도성인 액체이고, 제 2 유체(B)는 전기적으로 절연성인 액체인, 광학 신호를 가이드하는 방법.
19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서, 전기적으로 절연성인 액체는 1.25와 1.50 사이의 굴절율을 가지며, 전기적으로 전도성인 액체는 1.33과 1.50 사이의 굴절율을 가지는, 광학 신호를 가이드하는 방법.

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