KR20120071120A - 평판형 도파로 기반 반사형 광 지연 간섭계 장치 - Google Patents

평판형 도파로 기반 반사형 광 지연 간섭계 장치 Download PDF

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KR20120071120A
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Abstract

평판형 도파로의 복굴절 특성에 의한 광 지연 간섭계의 편광 의존성 및 시분할 광 간섭계의 편광 불일치 문제를 해결하는 반사형 광 지연 간섭계가 제공된다. 반사형 광 지연 간섭계는, 입력된 광신호를 2개의 광신호로 분할하는 커플러와, 커플러에 연결되며, 분할된 2개의 광신호 중 하나인 제1 광신호를 전달하는 제1 광 지연 경로를 가지는 제1 광 도파로와, 커플러에 연결되며, 분할된 2개의 광신호 중 다른 제2 광신호를 전달하며, 제1 광 지연 경로와 비대칭적인 광 지연 경로를 가지는 제2 광 도파로와, 제1 광 도파로와 연결된 제1 편광 회전 반사 소자와, 제2 광 도파로와 연결된 제2 편광 회전 반사 소자를 포함하고, 제1 편광 회전 반사 소자는 제1 광신호를 반사하며, 제1 광신호 및 반사된 제1 광신호의 편광을 회전시키고, 제2 편광 회전 반사 소자는 제2 광신호를 반사하며, 제2 광신호 및 반사된 제2 광신호의 편광을 회전시킨다.

Description

평판형 도파로 기반 반사형 광 지연 간섭계 장치{Reflection type optical delay interferometer apparatus based on planar waveguide}
본 발명은 편광 의존성이 낮은 광 지연 간섭계 장치의 구조 및 그 장치를 통신 시스템에 적용하는 기술에 관한 것이다.
평판형 광 도파로(planar optical waveguide)는 평판형 기판(planar substrate)에 빛의 진행 방향을 조절할 수 있는 도파로를 구성하여 빔의 진행 특성을 제어하는 특정 기능을 수행할 수 있도록 제작한 광학 소자이다. 평판형 도파로를 이용한 광소자는 광섬유 기반 소자에 비해 우수한 안정성과 높은 집적도의 장점이 있다. 주로 실리카 기반의 커플러(coupler), AWG(array waveguide grating), 광 인터리버(optical interleaver), 지연 간섭계(delay interferometer) 등과 리튬나이오베이트(LiNbO3) 기반의 진폭 변조기 및 위상 변조기 등에 응용된다.
평판형 광 도파로는 실리콘(silicon) 또는 실리카(silica) 등의 평판형 기판 위에 적절한 굴절률을 갖는 도파로의 코어(core) 물질을 증착하고, 설계된 도파로 형태를 따라 식각하여 코어를 생성한 후, 클래드(clad)에 해당하는 물질을 증착하는 과정으로 제작된다. 평판형 광 도파로는 코어의 형태가 사각형이고 클래드 층이 이종 물질이기 때문에 종횡방향의 압력의 차가 발생하여 빔의 편광 상태에 따라 굴절률이 달라지는 복굴절(birefringence) 특성을 나타낸다. 광소자의 편광 의존 특성은 일반적으로 편광의존손실(polarization dependent loss, PDL)과 편광모드분산(polarization mode dispersion, PMD) 등의 값으로 표현된다.
이와 같이, 평판형 광 도파로는 광섬유 형태의 도파로와 달리 큰 복굴절(birefringence)로 편광 의존 특성이 두드러진다. 특히, 평판형 도파로를 이용하여 지연 간섭계(delay interferometer) 및 광 인터리버(optical interleaver) 등의 비대칭(asymmetric) 간섭계를 구성하면 복굴절로 인해 편광 의존 파장 천이(polarization dependent wavelength shift, PDWS) 현상이 발생한다.
편광 의존 파장 천이(PDWS)는 입력 빔(beam)의 편광이 TE(Transverse Electric) 편광이나 TM (Transverse Magnetic) 편광 등으로 서로 다를 때 도파로의 유효 굴절률이 달라 간섭 스펙트럼(spectrum)의 골(null)이 일치하지 않는 현상을 말한다. 파장 천이(PDWS) 량이 간섭 스펙트럼의 투과대역(free spectral range, FSR)과 비교하여 수 % 정도로 무시할 수 없게 되면 유효 투과대역이 좁아져 소자의 특성을 저하시킨다. 일반적으로 비대칭 길이 차이가 큰 지연 간섭계는 광 인터리버에 비해 투과대역이 매우 좁기 때문에 편광 의존 파장 천이(PDWS) 현상에 더욱 민감하다.
평판형 도파로 기반 지연 간섭계의 편광 의존 파장 천이(PDWS) 현상을 해결하기 위해서 도파로 지연선의 정중앙에 반파장판(half wave plate)을 삽입하여 TE(traverse electric) 모드 빔을 TM(traverse magnetic) 모드로 변환하여, 또는 반대로 변환하여 복굴절의 효과를 상쇄하려는 시도가 있었다. 이 방법들은 도파로에 의한 편광 의존 파장 천이(PDWS) 현상은 완화시켰으나 반파장판 자체가 편광의존성이 있어 도파로의 광축(optic axis)과 반파장판의 광축을 매우 작은 오차 내로 정렬해야 하는 기술적인 어려움이 발생하였다.
평판형 도파로는 우수한 안정성 때문에 양자암호 키 분배(quantum key distribution, QKD) 시스템에도 적용되고 있다. 양자암호 키 분배 시스템에 사용되는 간섭계는 송수신부에서 각각 빔을 지연 분할하여 간섭을 유도하는 시분할 광 간섭계(time-division optical interferometer, TDI)이다. 시분할 광 간섭계는 지연 간섭계와 유사하지만 장경로의 길이가 매우 긴 구조를 가지고 있다.
초기의 시분할 광 간섭계는 광섬유를 이용하여 구성했다. 광섬유 기반 시분할 광 간섭계는 편광 및 위상 안정성이 매우 낮았다. 따라서, 편광 조절기, 편광 유지 광섬유 및 위상 제어기 등을 사용하여 안정성을 확보하려는 다양한 시도가 계속되었다. 최근에는 패러데이 거울(Faraday mirror)을 이용한 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)를 구성하여 편광에 대한 안정성을 확보하는 기술이 개발되었다. 그러나 위상의 불안정성은 해결되지 않아 복잡한 위상 보상 기구를 추가해야 한다.
광섬유의 위상 불안정성을 해결하기 위해 시분할 광 간섭계에 평판형 도파로를 적용한 기술이 제안되었다. 그러나, 이 경우, 위상 안정성은 확보되지만, 평판형 도파로의 전형적인 특성인 복굴절 때문에 입력 빔의 편광이 회전하는 문제가 추가로 발생하였다. 양자암호 키 분배 시스템에 평판형 도파로 기반 시분할 광 간섭계를 사용하면 송신부 및 수신부에서 시분할되어 출력된 빔들이 평판형 도파로의 복굴절에 의해 각각 다른 편광 상태를 가지고 출력될 수 있다.
일반적으로 광 간섭이 효과적으로 발생하려면 두 빔의 위상 및 편광 상태가 일치해야 한다. 편광 상태가 일치하기 위해서는 수신부 간섭계에 입력되는 빔의 편광 방향이 조절되어야 하고, 송수신부의 두 간섭계가 인가하는 편광 변화량도 동일해야 한다.
복굴절에 의한 편광 변화는 길이 방향으로 주기성을 갖는데 편광이 원래의 값으로 돌아오는 도파로의 길이를 비트 길이(beat length)라 한다.
비트 길이를 맞추기 위해서는 송수신부 두 평판형 도파로의 유효 길이를 온도 조절 등의 방법을 이용하여 조절하는 등 추가적인 최적화 작업이 필요하게 된다. 특히, 복굴절이 작은 경우에는 역수 관계를 갖는 비트 길이가 커지므로 온도 조절을 이용한 유효 길이 조절만으로는 비트 길이를 맞출 수 없어 두 간섭 빔의 편광을 맞추는 일이 매우 어렵게 된다.
본 발명은 평판형 도파로의 복굴절 특성에 의한 광 지연 간섭계의 편광 의존성 및 시분할 광 간섭계의 편광 불일치 문제를 해결하기 위하여, 입력 빔의 편광 상태에 무관한 광 지연 간섭계와 출력빔의 편광이 항상 동일한 광 지연 간섭계의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
일 측면에 따른 반사형 광 지연 간섭계 장치는, 입력된 광신호를 2개의 광신호로 분할하는 커플러와, 커플러에 연결되며, 분할된 2개의 광신호 중 하나인 제1 광신호를 전달하는 제1 광 지연 경로를 가지는 제1 광 도파로와, 커플러에 연결되며, 분할된 2개의 광신호 중 다른 제2 광신호를 전달하며, 제1 광 지연 경로와 비대칭적인 광 지연 경로를 가지는 제2 광 도파로와, 제1 광 도파로와 연결된 제1 편광 회전 반사 소자와, 제2 광 도파로와 연결된 제2 편광 회전 반사 소자를 포함하고, 제1 편광 회전 반사 소자는 제1 광신호를 반사하며, 제1 광신호 및 반사된 제1 광신호의 편광을 회전시키고, 제2 편광 회전 반사 소자는 제2 광신호를 반사하며, 제2 광신호 및 반사된 제2 광신호의 편광을 회전시킨다.
다른 측면에 따른 반사형 광 지연 간섭계 장치는, 입력된 광신호를 2개의 광신호로 분할하는 커플러와, 커플러에 연결되며 분할된 2개의 광신호 중 하나인 제1 광신호를 전달하는 제1 광 지연 경로를 가지는 제1 광 도파로와, 커플러에 연결되며 분할된 2개의 광신호 중 다른 제2 광신호를 전달하며, 제1 광 지연 경로와 비대칭적인 광 지연 경로를 가지는 제2 광 도파로와, 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로와 연결된 편광 회전 반사 소자를 포함하고, 편광 회전 반사 소자는 제1 광신호 및 제2 광신호를 반사하며, 제1 광신호 및 반사된 제1 광신호의 편광을 회전시키고, 제2 광신호 및 반사된 제2 광신호의 편광을 회전시킨다.
본 발명의 반사형 구조를 채택한 광 지연 간섭계의 구성에 따르면, 도파로의 복굴절에 의한 현상을 자동으로 보상하여 편광 의존 파장 천이(PDWS) 현상을 효과적으로 억제할 수 있고, 입력 빔의 광 축에 무관한 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 반사형 광 지연 간섭계에서, 장경로의 길이를 늘려 양자 암호 키 분배 시스템에 적용할 경우에는 평판형 도파로의 특성인 위상 안정성을 확보할 수 있고, 반사형 구조로 복굴절에 의한 효과를 자동으로 상쇄하여 출력 빔의 편광을 항상 동일하게 할 수 있다. 따라서, 양자 암호 키 분배 시스템의 간섭 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 비대칭 광 간섭계의 투과 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 광 지연 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사형 광 지연 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 광 지연 간섭계에 이용될 수 있는 커플러를 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전 반사 소자와 빔 커플링을 위한 수단을 나타내는 도면이다.
도 6a는 도 2의 반사형 광 지연 간섭계에 포함되는 편광 회전 반사 소자의 구성의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 6b는 도 2의 반사형 광 지연 간섭계에 포함되는 편광 회전 반사 소자의 구성의 다른 예를 나타내는 도면이고, 도 6c는 도 3의반사형 광 지연 간섭계에 포함되는 편광 회전 반사 소자의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 장경로의 길이를 길게 한 반사형 광 지연 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 광 지연 간섭계의 장경로 도파로의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 장경로 도파로를 가지며 한 개의 편광 회전 반사 소자로 구성되는 반사형 광 지연 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7의 반사형 광 지연 간섭계가 적용된 위상 변조를 기반으로 하는 양자암호 키 분배 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 비대칭 광 간섭계의 투과 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면이다.
평판형 도파로를 이용하여 광 지연 간섭계나 광 인터리버와 같은 비대칭 간섭계를 구성하면, 투과 스펙트럼이 주기적으로 변화하는 특성이 있다. 또한, 복굴절로 인해 도 1과 같이 투과 스펙트럼에 편광 의존 파장 천이(PDWS) 현상이 발생한다. 이러한 비대칭 광 간섭계를 평판형 도파로를 이용하여 제작하면 수학식 1과 같이 편광 방향에 따라 간섭 광의 경향이 달라진다.
[수학식 1]
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, P TE 는 TE 모드 편광의 광 출력을 나타내고, P TM 은 TM 모드 편광의 광 출력을 나타낸다.
Figure pat00003
와
Figure pat00004
은 각각 TE 모드 및 TM 모드 편광 방향에 대한 굴절률이고, Δ l 은 비대칭 간섭계의 두 경로의 길이차이고 λ는 도파로를 통과하는 빛의 파장이다. 굴절률
Figure pat00005
와
Figure pat00006
차이는 복굴절 B 와
Figure pat00007
의 관계를 갖는다.
이와 같이, 도파로의 복굴절 특성에 의해서 TE 편광 빔과 TM 편광 빔의 간섭 스펙트럼(spectrum)의 골(null)이 일치하지 않는 현상이 발생한다. 편광 의존 파장 천이(PDWS)는 유효 투과대역을 좁아지게 하는데, 파장 천이량이 간섭 스펙트럼의 투과대역(FSR)과 비교하여 수 % 정도로 무시할 수 없는 양이 되면 소자의 특성을 저하시킬 수 있다. 특히, 지연 간섭계는 비대칭 경로의 길이 차이가 인터리버 등에 비해 비교적 커서 투과 대역이 매우 좁기 때문에 편광 의존 파장 천이(PDWS) 현상에 더욱 민감하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 광 지연 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
반사형 광 지연 간섭계(200)는 평판형 도파로 기반의 비대칭 지연 소자(210)및 편광 회전 반사 소자(220, 230)를 포함한다.
비대칭 지연 소자(210)는 커플러(212) 및 비대칭 광 지연 경로를 구성하는 제1 광 도파로(201) 및 제2 광 도파로(202)를 포함한다.
커플러(212)는 입력된 광신호(또는 빔)를 2개의 광신호로 분할한다.
제1 광 도파로(201)는 커플러(212)에 연결되며, 분할된 2개의 광신호 중 하나인 제1 광신호를 전달하는 제1 광 지연 경로를 가진다.
제2 광 도파로(202)는 커플러(212)에 연결되며, 분할된 2개의 광신호 중 다른 하나인 제2 광신호를 전달하며, 제1 광 지연 경로와 비대칭적인 광 지연 경로를 가진다.
편광 회전 반사 소자(220, 230)는, 제1 편광 회전 반사 소자(220) 및 제2 편광 회전 반사 소자(230)를 포함한다.
제1 편광 회전 반사 소자(220)는 제1 광 도파로(201)와 연결된다. 제2 편광 회전 반사 소자(230)는 제2 광 도파로(202)와 연결된다. 제1 편광 회전 반사 소자(220) 및 제2 편광 회전 반사 소자(230)는 동일한 구성을 가진다.
제1 편광 회전 반사 소자(220) 및 제2 편광 회전 반사 소자(230)는 각각 입력된 광신호를 반사하며, 입력된 광신호 및 반사된 광신호의 편광을 회전시킨다. 즉, 제1 편광 회전 반사 소자(220)는 제1 광신호를 반사하며, 제1 광신호 및 반사된 제1 광신호의 편광을 회전시키도록 구성된다. 제2 편광 회전 반사 소자(230)는 제2 광신호를 반사하며, 제2 광신호 및 반사된 제2 광신호의 편광을 회전시키도록 구성된다.
이하에서는, 제1 편광 회전 반사 소자(220)를 중심으로 설명한다.
제1 편광 회전 반사 소자(220)는 패러데이 효과를 내는 편광 회전 광소자와 거울과 같은 반사 수단을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 편광 회전 반사 소자(220)는 제1 광신호 및 반사된 제1 광신호의 편광을, 편광축에 대하여, 제1 광신호의 진행 방향에 무관하게 한쪽 방향으로만 45° 회전시키도록 구성된다. 제1 광신호는 반사 수단에 반사되어 왕복하게 되므로, 총 90°의 편광 회전이 발생될 수 있다. 예를 들면, TE 모드의 빔이 TM 모드가 되어 반사된다. 이런 구성에 의해 제1 광도파로에 의해 생성된 복굴절이 상쇄될 수 있다.
즉, 입력 쪽의 커플러(212)에서 광신호(또는 빔)가 분할되어 비대칭 광 지연 경로로 각각 진행한 후, 제1 편광 회전 반사 소자(220) 및 제2 편광 회전 반사 소자(230)에서 각각의 광신호의 편광이 90o 회전하면서 반사되고, 또한 각각의 광신호가 동일한 지연 광경로를 지나서 커플러(212)를 통과한 후 출력된다.
이와 같이 제1 편광 회전 반사 소자(220)가 입력된 제1 광신호를 반사시키고, 제1 광신호 및 반사된 제1 광신호의 편광을, 편광 축에 대하여, 제1 광신호의 진행 방향에 무관하게 한쪽 방향으로만 45° 회전시키는 구성은 수학식 2와 같은 존스 행렬(Jones matrix)로 나타낼 수 있다. 이와 같은 존스 행렬은 패러데이 거울(FM)의 존스 행렬이라 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00008
여기서, R(45°) 는 입력된 광신호의 편광을 입력 방향을 축으로 시계 방향으로 45o 회전시키는 편광 회전 소자의 행렬 값을 나타내고, R(-45°) 는 반사된 광신호의 편광을 출력 방향을 축으로 시계 방향으로 -45o 회전시키는, 즉, 입력 방향을 축으로 시계 방향으로 45o 회전시키는 편광 회전 소자의 행렬 값을 나타내고, M 은 거울과 같은 반사 수단의 행렬 값을 나타낸다. 여기에서, 수학식 2의 패러데이 거울(FM)의 존스 행렬에서 음(-)의 부호는, 광신호의 진행 방향이 반대가 되었음을 의미한다.
이와 같이, 편광 회전 반사 소자가 적용된 도파로에 광신호를 입력하면 비대칭 경로 중 단경로(long path)를 통과한 출력 광신호( A out1 ) 및 장경로를 통과한 출력 광신호( A out2 )는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서, W 는 도파로의 전파 행렬이고, FM 은 수학식 2의 존스 행렬을 나타낸다. l 1 은 단경로의 길이를 나타내고, l 2 는 장경로의 길이를 나타낸다. 또한, A in 은 입력된 광신호를 나타내고, A out 은 반사형 광 지연 간섭계(200)를 통과한 후 출력된 광신호를 나타낸다. 수학식 3에 도파로의 전파 행렬( W ) 및 존스 행렬( FM )의 값을 적용하면 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00011
Figure pat00012
수학식 4를 참조하면, 두 출력된 광신호가 간섭하면, 수학식 1과 달리
Figure pat00013
와
Figure pat00014
의 값이 평균되어 복굴절 현상이 상쇄되고 편광 의존 파장 천이(PDWS)가 없는 간섭 스펙트럼을 얻게 된다.
종래에 편광 의존 파장 천이(PDWS)를 해결하는 방법으로 도파로의 비대칭 경로의 정중앙에 반파장판을 삽입하여 입력 빔의 편광을 회전시켜 복굴절에 의한 편광 의존성을 상쇄하는 방법이 제안되었다. 이 경우, 반파장판의 광축은 도파로의 TE 또는 TM 모드 광축과 45o 또는 -45o 기울어지도록 한다. 이와 같은 구조에서의 필요 조건은 반파장판을 삽입할 때 광축이 오차 없이 45o 각을 갖도록 해야 하며, 반파장판 이전과 이후의 도파로 경로가 길이뿐만 아니라 복굴절 등의 광특성 또한 모두 일치해야 한다는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빔의 편광을 45o 회전시키는 편광 회전 소자의편광 회전량은 제작 기술에 의존하므로 매우 높은 정밀도로 제어될 수 있다. 그러나, 반파장판의 광축을 맞추는 것은 까다로운 광 정렬 작업이므로 정밀도를 높게 유지하는 것이 어렵다. 또한, 본 발명에서 이용되는 편광 회전 소자에 의한 편광 회전은 입사하는 빔의 편광 방향에 의존하지 않으므로 광축 정렬이 필요 없다.
또한, 본 발명에 의한 반사형 광 지연 간섭계에서는 반사형 도파로를 구조를 채택하여 입력 빔이 동일한 경로를 두 번 지나게 하고, 반사 시 편광을 회전시켜 복굴절 효과가 상쇄될 수 있다. 입력된 광신호가 반사되어 동일한 도파로의 경로를 두 번 지나므로 길이 등의 도파로의 광 특성이 자동으로 일치하게 된다. 또한, 광신호의 반사 시 입력된 광신호의 편광에 무관한, 즉, 광축 특성이 없는 패러데이(Faraday) 거울 등을 사용하므로 광축 정렬의 필요성도 없어진다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사형 광 지연 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
반사형 광 지연 간섭계(300)는 평판형 도파로 기반의 비대칭 지연 소자(310)및 편광 회전 반사 소자(320)를 포함한다.
비대칭 지연 소자(310)는 커플러(312) 및 비대칭 광 지연 경로를 구성하는 제1 광 도파로(301) 및 제2 광 도파로(302)를 포함한다. 비대칭 지연 소자(310)의 구성은 도 1의 비대칭 지연 소자(210)의 구성과 동일하다.
커플러(312)는 입력된 광신호를 2개의 광신호로 분할한다. 제1 광 도파로(301)는 커플러(312)에 연결되며, 분할된 2개의 광신호 중 하나의 제1 광신호를 전달하는 제1 광 지연 경로를 가진다. 제2 광 도파로(302)는 커플러(312)에 연결되며, 분할된 2개의 광신호 중 다른 하나인 제2 광신호를 전달하며, 제1 광 지연 경로와 비대칭적인 광 지연 경로를 가진다.
그러나, 제1 광 도파로(301) 및 제2 광 도파로(302)의 출력부가 서로 인접하게 배치되고, 제1 광 도파로(301) 및 제2 광 도파로(302)의 출력부가, 하나의 편광 회전 반사 소자(320)로 결합되는 구성에서 도 2의 반사형 광 지연 간섭계(200)의 구조와 차이가 있다. 이러한 구성에 의하여, 도 2의 반사형 광 지연 간섭계(200)에서 2개의 편광 회전 반사 소자의 특성 편차 때문에 발생될 수 있는 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 광 지연 간섭계에 이용될 수 있는 커플러를 나타내는 도면이다.
도 2의 반사형 광 지연 간섭계(200)의 커플러(212) 및 도 3의 반사형 광 지연 간섭계(300)의 커플러(312)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 통상의 방향성 커플러(directional coupler)로 구현될 수 있다.
또는, 커플러(212) 및 커플러(312)는 도 4b에 도시된 다중 모드 간섭(Multi-Mode Intterference) 커플러, 도 4c에 도시된 적용 파장 대역을 넓힌 광대역 커플러(Wide-band coupler), 도 4d에 도시된 다중 모드 간섭 커플러가 적용된 광대역 커플러, 도 4e에 도시된 위상 변화가 없는 Y-브랜치(branch) 형태의 광 출력 분할기 (splitter) 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 각 커플러는 비대칭 광 경로의 비대칭 광 손실을 보상하기 위해 출력비를 조절한 비대칭 커플러(Asymmetric coupler) 형태로 구현될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전 반사 소자와 빔 커플링을 위한 수단을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 2의 비대칭 지연 소자(210)의 단면(211)과 제1 편광 회전 반사 소자(220)와의 연결 구조를 나타낸다. 비대칭 지연 소자(210)의 단면(211)과 제1 편광 회전 반사 소자(220)는 도 5a에 도시된 바와 같이 일반적인 페룰(ferrule)(51) 및 슬리브(52)를 이용한 페룰 연결 구조로 연결될 수 있다. 또는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 구조가 단순한 버트 (butt) 커플링, 도 5c에 도시된 바와 같이, 빔 분산을 억제하는 테이퍼(taper) 구조의 도파로를 이용한 버트 커플링 등이 이용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 설명의 편의를 위해 비대칭 지연 소자(210)의 단면(211)과 제1 편광 회전 반사 소자(220)와의 연결 구조를 도시하였으나, 도 2의 비대칭 지연 소자(210)와 제2 편광 회전 반사 소자(230)와의 연결 및 도 3의 비대칭 지연 소자(310)와 편광 회전 반사 소자(320)와의 연결을 위해서도 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같은 연결 구조가 이용될 수 있다.
도 6a는 도 2의 반사형 광 지연 간섭계(200)에 포함되는 제1 편광 회전 반사 소자(220)의 구성의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 6b는 도 2의 반사형 광 지연 간섭계(200)에 포함되는 제1 편광 회전 반사 소자(220)의 구성의 다른 예를 나타내는 도면이고, 도 6c는 도 3의 반사형 광 지연 간섭계(300)에 포함되는 편광 회전 반사 소자(320)의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2의 제1 편광 회전 반사 소자(220)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 렌즈(222), 편광 회전 소자(224) 및 거울(226)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 렌즈(222)는 입력된 제1 광신호를 평행하게 만드는 시준 렌즈(collimation lens)이다. 편광 회전 소자(224)는 제1 광신호의 진행 방향에 무관하게 입력된 제1 광신호의 편광을 편광축에 대하여 한쪽 방향으로만 45° 회전시킨다. 거울(226)은 편광 회전 소자(224)를 통과하여 입력된 제1 광신호를 반사한다. 거울(226)에서 반사된 제1 광신호는 다시 편광 회전 소자(224)에서 편광이 45° 회전되어, 입력된 도파로와 동일한 도파로를 통해 출력된다.
도 2의 제1 편광 회전 반사 소자(220)는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 렌즈(222), 편광 회전 소자(224) 및 도 6a의 거울(226)에 대응되는 반사 코팅막(228)을 포함하여 구성될 수 있다. 반사 코팅막(228)은 편광 회전 소자(224)와 일체화되어 구성될 수 있다.
렌즈(222) 및 편광 회전 소자(224)는 도 6a의 렌즈(222) 및 편광 회전 소자(224)와 동일한 기능을 한다. 도 2의 제2 편광 회전 소자(230)도 도 6a 또는 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 편광 회전 소자(220)의 구성과 동일하게 구성될 수 있다.
도 3의 편광 회전 반사 소자(320)는 도 6c에 도시된 바와 같이, 렌즈 어레이(322), 편광 회전 소자(324) 및 거울(326)을 포함할 수 있다.
렌즈 어레이(322)는 커플러(312)에 의해 분할된 2개의 제1 광신호 및 제2 광신호를 각각 평행하게 한다. 편광 회전 소자(324)는 편광 회전 소자(224)와 마찬가지로 렌즈 어레이를 통과한 2개의 광신호를, 광신호의 진행 방향에 무관하게 편광축에 대하여 한쪽 방향으로만 45° 회전시킨다. 거울(326)은 거울(226)과 같이 편광 회전 소자를 통과한 2개의 광신호를 각각 반사한다. 거울(326)은 도 6b에 도시된 바와 같이, 반사 코팅막으로 대체될 수 있다. 거울(326)에서 반사된 2개의 광신호는 다시 편광 회전 소자(324)에 의해 편광이 45° 회전되어, 각각 입력된 도파로와 동일한 도파로로 출력된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 장경로의 길이를 길게 한 반사형 광 지연 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 장경로의 길이를 길게 한 반사형 광 지연 간섭계를 이용하면, 반사형 광 지연 간섭계는 위상 변조 기반의 양자암호 키 분배 시스템에 적용될 수 있다.
반사형 광 지연 간섭계(700)는 평판형 도파로 기반의 비대칭 지연 소자(710), 제1 편광 회전 반사 소자(720) 및 제2 편광 회전 반사 소자(730)을 포함한다. 비대칭 지연 소자(710)는 커플러(712), 온도 제어 기구(718), 제1 도파로(701) 및 제2 도파로(701)를 포함한다.
반사형 광 지연 간섭계(700)는 제2 도파로(702)의 길이가 도 2의 반사형 광 지연 간섭계(200)의 제2 도파로(202)의 길이에 비하여 길게 구성되고, 온도 제어 기구(718)가 추가된 것을 제외하고는 반사형 광 지연 간섭계(200)의 구성과 동일하다.
양자암호 키 분배 시스템에서는 비대칭 광 지연 경로에 의해 발생하는 광 펄스의 시간 차가 수 나노 초(ns)의 크기를 갖기 때문에 장경로의 길이가 수십 cm 에 이른다. 따라서, 도 7과 같이 경로를 회전시켜 누적 길이를 늘려줘야 한다. 경로가 길어지면 온도 변화에 따른 위상의 불안정 요소가 증가하므로 도 7에 도시된 바와 같이 히터(heater) 등의 온도 제어 기구(718)가 추가될 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 광 지연 간섭계의 장경로 도파로의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7의 도파로(701, 702)는 도 8a 내지 도 8d에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 제2 도파로(702)가 장경로를 형성하기 위하여, 도 8a에 도시된 바와 같이 모서리가 곡면으로 처리된 장방형 나선(spiral) 구조, 도 8b에 도시된 바와 같이 원형 나선 구조로 형성될 수 있다. 또한, 도파로(701, 702)는 도 8c에 도시된 바와 같이 장방형 교차 구조 또는 도 8d에 도시된 바와 같이 원형 교차 구조 등과 같이 장경로인 제2 도파로(702)에 경로 교차가 이루어지는 구조로 형성될 수 있다. 도 8c에 도시된 바와 같이 장방형 교차 구조 또는 도 8d에 도시된 바와 같이 원형 교차 구조는 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 편광 회전 반사 소자로 구성되고 양자암호 키 분배 시스템에 이용되도록 장경로가 길게 구성된 반사형 광 지연 간섭계로 구현될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 장경로 도파로를 가지며 한 개의 편광 회전 반사 소자로 구성되는 반사형 광 지연 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7에서 제안하는 구조에서 비대칭 지연 소자(710)와 편광 회전 반사 소자 결합을 위한 출력부가 2개의 편광 회전 반사 소자의 특성 편차에 의한 성능 저하를 방지하기 위한 도 3의 구조를 활용하여, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 도파로의 출력부에서 2개의 도파로를 인접하게 하고 편광 회전 반사 소자를 한 개로 유지하는 구조를 적용할 수 있다.
비대칭 지연 소자, 편광 회전 반사 소자, 비대칭 지연 소자 및 편광 회전 반사 소자와의 커플링을 위한 커플러의 구조는, 전술한 구조와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7의 반사형 광 지연 간섭계가 적용된 위상 변조를 기반으로 하는 양자암호 키 분배 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
양자암호 키 분배 시스템(1000)은 송신부와 수신부가 양자채널(또는 광섬유)로 연결되며, BB84 프로토콜이 이용될 수 있다. 양자암호 키 분배 시스템(1000)의 송신부는 광원(1010), 시분할 광 간섭계(1020), 제1 광 위상 변조기(1030)를 포함하 고, 양자암호 키 분배 시스템(1000)의 수신부는 제2 광 위상 변조기(1040), 광 서큘레이터(1050) 및 시분할 광 간섭계(1060)를 포함한다.
시분할 광 간섭계(1020) 및 시분할 광 간섭계(1060)는 송신부 및 수신부에 배치되어 쌍으로 동작한다. 시분할 광 간섭계(1020)는 비대칭 지연 소자(1022), 제1 편광 회전 반사 소자(1024) 및 제2 편광 회전 반사 소자(1026)를 포함하며, 시분할 광 간섭계(1060)는 비대칭 지연 소자(1062), 제3 편광 회전 반사 소자(1064) 및 제4 편광 회전 반사 소자(1066)를 포함하여, 각각 도 7의 광 지연 간섭계(700)의 구조를 가질 수 있다. 시분할 광 간섭계(1020) 및 시분할 광 간섭계(1060)는 도 9a 또는 도 9b에 도시된 구조로 형성될 수도 있다. 송수신부에서 광 펄스는 시간적으로 분할된 뒤 간섭에 기여하므로, 도 7과 같은 광 지연 간섭계(700)를 시분할 광 간섭계라고 부른다.
송신부의 시분할 광 간섭계(1020)는 입력된 광 펄스 신호를 두 개로 분할한 뒤 각각에 비대칭적인 시간 지연을 가하여 출력한다. 송신부의 시분할 광 간섭계(1020)에서 분할된 광 펄스 신호는 수신부의 시분할 광 간섭계(1060)에서 재차 분할된다.
송신부의 시분할 광 간섭계(1020)의 비대칭 지연 소자(1022) 및 수신부의 시분할 광 간섭계(1060)의 비대칭 지연 소자(1062)에서 시간 지연량은 동일하다. 따라서, 수신부의 비대칭 지연 소자(1062)의 출력부에서 분할된 4 개의 광 펄스 신호 중 두 펄스는 서로 중첩하여 간섭하게 된다.
양자암호 키 분배 시스템(1000)은 암호 키 정보를 전달하기 위해 송신부의 제1 광위상 변조기(1030)에서 시분할된 두 광 펄스 중 하나의 광 펄스 신호의 위상을 변조한다. 수신부의 제2 광위상 변조기(1040)는 암호 키 신호를 복조하기 위해 다른 하나의 광 펄스에 위상 변조를 가한다. 그 결과, 수신부의 시분할 광 간섭계(1060)의 출력 신호는 매 순간 세기가 다른 광 간섭 신호를 얻게 되고, 이 신호를 분석하면 송신된 양자 암호 키 정보를 추출할 수 있다. 수신부에서는 확실한 신호 검출을 위해 시분할 광 간섭계에서 대비(contrast)가 높은 두 신호가 출력되도록 하고 두 개의 단일 광자 검출기를 이용하여 검출한다.
양자암호 키 분배 시스템(1000)의 성능을 높이기 위해서는 시분할 광 간섭계(1020, 1060)의 간섭 성능이 절대적이다. 우수한 간섭 성능은 시분할 광 간섭계(1020, 1060)에 입력되고, 시분할 광 간섭계(1020, 1060)로부터 출력되는 광신호의 편광 및 위상이 정밀하게 제어될 때 얻을 수 있다.
비대칭 광 지연 소자(1022, 1062)를 이용하는 시분할 광 간섭계(1020, 1060)의 성능은 수학식 6과 같이 선명도(visibility)로 표현되며, 양자 암호 통신 시스템의 성능을 의미하는 양자오류율(quantum bit-error-rate, QBER)과 관련이 있다.
[수학식 5]
Figure pat00015
여기서, I max 및 I min 은 각각 최대 및 최소 간섭 시 광출력의 세기이다. 일반적인 광 간섭계에서 큰 선명도 값을 얻기 위해서는 간섭하는 두 빔의 편광이 일치하고 위상 차이가 π의 정수배가 되어야 한다.
기존의 마흐젠더 광 간섭계 기반의 시분할 광 간섭계에서는 빔의 위상 및 편광이 불안정했다. 또한, 마이켈슨 광 간섭계 기반의 시분할 광 간섭계에서는 빔의 편광은 일치되었지만, 위상은 불안정했다. 그리고 평판형 도파로 기반의 마흐젠더형 시분할 광 간섭계에서는 위상 안정성을 확보했지만, 복굴절에 의해 편광 일치가 어려워지는 단점이 나타났다. 본 발명에 따른 도 7의 반사형 광 지연 간섭계(700) 또는 도 9a 및 도 9b의 반사형 광 지연 간섭계의 구조를 적용한 시분할 광 간섭계(1020, 1060)는 빔의 위상 안전성과 복굴절에 의한 효과를 상쇄한 편광 일치를 동시에 달성할 수 있으므로 양자암호 키 분배 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 입력된 광신호를 2개의 광신호로 분할하는 커플러;
    상기 커플러에 연결되며, 상기 분할된 2개의 광신호 중 하나인 제1 광신호를 전달하는 제1 광 지연 경로를 가지는 제1 광 도파로;
    상기 커플러에 연결되며, 상기 분할된 2개의 광신호 중 다른 제2 광신호를 전달하며, 상기 제1 광 지연 경로와 비대칭적인 광 지연 경로를 가지는 제2 광 도파로;
    상기 제1 광 도파로와 연결된 제1 편광 회전 반사 소자; 및
    상기 제2 광 도파로와 연결된 제2 편광 회전 반사 소자를 포함하고,
    상기 제1 편광 회전 반사 소자는 상기 제1 광신호를 반사하며, 상기 제1 광신호 및 상기 반사된 제1 광신호의 편광을 회전시키고, 상기 제2 편광 회전 반사 소자는 상기 제2 광신호를 반사하며, 상기 제2 광신호 및 상기 반사된 제2 광신호의 편광을 회전시키는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 편광 회전 반사 소자는,
    상기 제1 광신호 및 상기 반사된 제1 광신호의 편광을, 상기 제1 광신호의 진행 방향에 무관하게 한쪽 방향으로만 45° 회전시키도록 구성되어, 상기 제1 광신호에 총 90°의 편광 회전을 발생시키도록 구성되고,
    상기 제2 편광 회전 반사 소자는,
    상기 제2 광신호 및 상기 반사된 제2 광신호의 편광을, 상기 제2 광신호의 진행 방향에 무관하게 한쪽 방향으로만 45° 회전시키도록 구성되어, 상기 제2 광신호에 총 90°의 편광 회전을 발생시키도록 구성되는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 편광 회전 반사 소자는,
    상기 제1 광신호를 평행하게 하는 렌즈;
    상기 제1 광신호의 진행 방향에 무관하게 상기 제1 광신호의 편광을 한쪽 방향으로만 45° 회전시키는 편광 회전 소자; 및
    상기 편광 회전 소자를 통과한 제1 광신호를 반사하는 거울을 포함하고,
    상기 제2 편광 회전 반사 소자는,
    상기 제2 광신호를 평행하게 하는 렌즈;
    상기 제2 광신호의 진행 방향에 무관하게 상기 제2 광신호의 편광을 한쪽 방향으로만 45° 회전시키는 편광 회전 소자; 및
    상기 편광 회전 소자를 통과한 제2 광신호를 반사하는 거울을 포함하는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 편광 회전 반사 소자는,
    상기 제1 광신호를 평행하게 하는 렌즈;
    상기 제1 광신호의 진행 방향에 무관하게 상기 제1 광신호의 편광을 한쪽 방향으로만 45° 회전시키는 편광 회전 소자; 및
    상기 편광 회전 소자를 통과한 제1 광신호를 반사하는 반사 코팅 막을 포함하고,
    상기 제2 편광 회전 반사 소자는,
    상기 제2 광신호를 평행하게 하는 렌즈;
    상기 제2 광신호의 진행 방향에 무관하게 상기 제2 광신호의 편광을 한쪽 방향으로만 45° 회전시키는 편광 회전 소자; 및
    상기 편광 회전 소자를 통과한 제2 광신호를 반사하는 반사 코팅 막을 포함하는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도파로는, 상기 제1 도파로에 비하여 장경로를 가지며, 상기 제2 도파로는 나선형 구조로 형성된 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 도파로는, 모서리가 곡면인 장방형 나선 구조 또는 원형 나선 구조를 가지는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 커플러는, 방향성 커플러, 다중 모드 간섭 커플러, 광대역 커플러, 다중 모드 간섭 커플러가 적용된 광대역 커플러, Y-브랜치 형태의 광 출력 분할기 중 하나로 구성되는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 도파로와 상기 제1 편광 회전 반사 소자를 연결하고, 상기 제2 광 도파로와 상기 제2 편광 회전 반사 소자를 연결하기 위하여, 페룰 연결, 버트 커플링, 테이퍼 구조의 도파로를 이용한 버트 커플링 중 하나의 연결이 이용되는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반사형 광 지연 간섭계 장치는, 양자 암호 키 분배 시스템의 송신부 및 수신부의 시분할 광 간섭계인 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  10. 입력된 광신호를 2개의 광신호로 분할하는 커플러;
    상기 커플러에 연결되며, 상기 분할된 2개의 광신호 중 하나인 제1 광신호를 전달하는 제1 광 지연 경로를 가지는 제1 광 도파로;
    상기 커플러에 연결되며, 상기 분할된 2개의 광신호 중 다른 제2 광신호를 전달하며, 상기 제1 광 지연 경로와 비대칭적인 광 지연 경로를 가지는 제2 광 도파로;
    상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로와 연결된 편광 회전 반사 소자를 포함하고,
    상기 편광 회전 반사 소자는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 반사하며, 상기 제1 광신호 및 상기 반사된 제1 광신호의 편광을 회전시키고, 상기 제2 광신호 및 상기 반사된 제2 광신호의 편광을 회전시키는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 편광 회전 반사 소자는,
    상기 제1 광신호 및 상기 반사된 제1 광신호의 편광을 상기 제1 광신호의 진행 방향에 무관하게 한쪽 방향으로만 45° 회전시키도록 구성되어, 상기 제1 광신호에 총 90°의 편광 회전을 발생시키고, 상기 제2 광신호 및 상기 반사된 제2 광신호의 편광을 상기 제2 광신호의 진행 방향에 무관하게 한쪽 방향으로만 45° 회전시키도록 구성되어, 상기 제2 광신호에 총 90°의 편광 회전을 발생시키도록 구성되는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 편광 회전 반사 소자는,
    상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 각각 평행하게 하는 렌즈 어레이;
    상기 렌즈 어레이를 통과한 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호 각각을 광신호의 진행 방향에 무관하게 한쪽 방향으로만 45° 회전시키는 편광 회전 소자; 및
    상기 편광 회전 소자를 통과한 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 각각 반사하는 거울을 포함하는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 도파로는, 상기 제1 도파로에 비하여 장경로를 가지며, 상기 제2 도파로는 나선형으로 형성되며, 제2 도파로에 경로 교차가 이루어지는 구조로 형성된 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 도파로는, 모서리가 곡면인 장방형 교차 구조 또는 원형 교차 구조를 가지는 반사형 광 지연 간섭계 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 반사형 광 지연 간섭계 장치는, 양자 암호 키 분배 시스템의 송신부 및 수신부의 시분할 광 간섭계인 반사형 광 지연 간섭계 장치.
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