KR20190096060A - 파장 가변 필터 - Google Patents

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KR20190096060A
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Abstract

본 발명은 에탈론형 필터가 갖는 주기적인 투과 특성과 대역 통과형 필터가 갖는 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키는 특성을 동시에 이용하도록 구성된 파장 가변 필터에 관한 것으로, 이러한 본 발명에 의하면 소비전력을 크게 감소시킬 수 있고, 히터나 열전냉각기의 발열 또는 흡열 가능한 온도 범위의 한계를 극복하고 파장 가변 범위 또한 충분히 확대시킬 수 있다.

Description

파장 가변 필터{TUNABLE FILTER}
본 발명은 파장 가변 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에탈론형 필터와 대역 통과형 필터를 결합하여, 에탈론형 필터에 입력되는 광의 파장 중에서 특정 파장만을 비교적 낮은 소비전력으로 출력시킬 수 있고 파장 가변 범위 또한 충분히 확대시킬 수 있는 파장 가변 필터에 관한 것이다.
도 1을 참조하면 종래 열적 방식에 의한 도파로형 파장 가변 필터가 나타나 있다. 도 1에 나타낸 파장 가변 필터는 코어(11) 및 상기 코어(11)를 둘러싸는 클래딩(12)으로 이루어진 광도파로(10)와, 상기 클래딩(12)에 형성된 격자(20)와, 상기 클래딩(12)의 상부에 구비되는 히터(30), 그리고 상기 클래딩(12)의 하부에 구비되는 열전냉각기(40)로 구성된다.
도 1에 나타낸 파장 가변 필터에서 광은 코어(11)의 일단으로 입력되며, 그 입력된 광의 파장 중에서 특정 파장이 코어(11)의 타단으로 출력된다. 여기서, 코어(11)의 타단으로 출력되는 특정 파장은 격자(20)의 주기에 따라 결정되는데, 이러한 격자(20)의 주기는 히터(30) 또는 열전냉각기(40)에 의해 변화시킬 수 있다.
구체적으로, 히터(30)에 전류를 인가하면 히터(30)에서는 열을 발생시키게 되는데, 이때 발생한 열은 클래딩(12)을 이루고 있는 물질의 굴절률을 변화시키게 되고, 이에 따라 클래딩(12)에 형성된 격자(20)의 주기가 변하게 된다. 이와 반대로, 열전냉각기(40)에 전류를 인가하면 열전냉각기(40)에서는 흡열 작용이 일어나게 되며, 이에 따라 클래딩(12)을 이루고 있는 물질의 굴절률이 변하게 되면서, 클래딩(12)에 형성된 격자(20)의 주기가 변하게 된다.
그리고 이와 같이 히터(30) 또는 열전냉각기(40)에 의해 격자(20)의 주기가 변하게 되면, 도 2에 나타낸 바와 같이 코어(11)의 타단으로 출력되는 파장 역시 변하게 된다. 즉, 도 2는 도 1의 도파로형 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 투과 특성을 나타낸 그래프로서, 히터(30) 및 열전냉각기(40)가 동작하지 않을 경우에는 도 1의 도파로형 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 투과 특성은 도 2에 도시된 초기 투과 특성과 같이 나타나지만, 히터(30)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 단파장쪽으로 이동하고, 열전냉각기(40)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 장파장쪽으로 이동하게 된다.
도 3을 참조하면, 종래 열적 방식에 의한 에탈론형 파장 가변 필터(이하, '에탈론형 필터'라 함)가 나타나 있다. 도 3에 도시된 에탈론형 필터(100)는 에탈론형 필터 기판(110), 상기 에탈론형 필터 기판(110)의 양면에 형성된 반사 코팅(115), 상기 에탈론형 필터 기판(110)의 상부에 구비되는 히터(120), 그리고 상기 에탈론형 필터 기판(110)의 하부에 구비되는 열전냉각기(130)로 구성된다.
도 3에 나타낸 에탈론형 필터(100)에서 에탈론형 필터 기판(110)의 양면에 형성된 반사 코팅(115)은, 파장에 따른 광의 투과 특성이 일정한 간격(FSR: Free Spectral Range)을 두고 주기적인 피크 형태를 갖도록 한다. 여기서, 상기와 같은 파장에 따른 광의 투과 특성은 에탈론형 필터 기판(110)의 두께(d)에 따라 결정되며, 이 두께(d)는 히터(120) 또는 열전냉각기(130)에 의해 변화시킬 수 있다.
구체적으로, 히터(120)에 전류를 인가하면 히터(120)에서는 열을 발생시키게 되는데, 이때 발생한 열은 에탈론형 필터 기판(110)을 이루고 있는 물질의 굴절률을 변화시키게 되고, 이에 따라 에탈론형 필터 기판(110)의 두께(d)를 변화시키는 결과가 된다. 이와 반대로, 열전냉각기(130)에 전류를 인가하면 열전냉각기(130)에서는 흡열 작용이 일어나게 되며, 이에 따라 에탈론형 필터 기판(110)을 이루고 있는 물질의 굴절률을 변화시키게 되며, 이 또한 에탈론형 필터 기판(110)의 두께(d)를 변화시키는 결과가 된다.
그리고 이와 같이 히터(120) 또는 열전냉각기(130)에 의해 에탈론형 필터 기판(110)의 두께가 변하게 되면, 도 4에 나타낸 바와 같이 에탈론형 필터(100)의 투과 특성이 변하게 되어 에탈론형 필터(100)를 투과할 수 있는 파장이 변하게 된다. 즉, 도 4는 도 3의 에탈론형 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 투과 특성을 나타낸 그래프로서, 히터(120) 및 열전냉각기(130)가 동작하지 않을 경우에는 도 3의 에탈론형 필터(100)가 갖는 파장에 따른 투과 특성은 도 4에 도시된 초기 투과 특성과 같이 나타나지만, 히터(120)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 단파장쪽으로 이동하고, 열전냉각기(130)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 장파장쪽으로 이동하게 된다.
도 5를 참조하면, 종래 열적 방식에 의한 대역 통과형 파장 가변 필터(이하, '대역 통과형 필터'라 함)가 나타나 있다. 도 5에 도시된 대역 통과형 필터(200)는 대역 통과형 필터 기판(210), 상기 대역 통과형 필터 기판(210)의 일면에 형성된 무반사 코팅(Anti-Reflection coating)(212), 상기 대역 통과형 필터 기판(210)의 타면에 형성된 대역 통과 필터 코팅(214), 상기 대역 통과형 필터 기판(210)의 상부에 구비되는 히터(220), 그리고 상기 대역 통과형 필터 기판(210)의 하부에 구비되는 열전냉각기(230)로 구성된다.
도 5에 나타낸 대역 통과형 필터(200)에서 광은 무반사 코팅(212)이 형성된 대역 통과형 필터 기판(210)의 일면으로 입력되며, 대역 통과 필터 코팅(214)에 의해 상기 입력된 광 중에서 소정의 파장 대역을 갖는 광만이 대역 통과형 필터 기판(210)의 타면으로 출력되게 된다. 여기서, 상기와 같은 대역 통과형 필터(200)의 투과 특성은 대역 통과 필터 코팅(214)을 구성하는 각 박막의 두께(hf1, hf2, hf3, hf4 등)에 따라 결정되며, 이 박막들의 두께는 히터(220) 또는 열전냉각기(230)에 의해 변화시킬 수 있다.
구체적으로, 히터(220)에 전류를 인가하면 히터(220)에서는 열을 발생시키게 되는데, 이때 발생한 열은 대역 통과 필터 코팅(214)을 이루고 있는 물질의 굴절률을 변화시키게 되고, 이에 따라 대역 통과 필터 코팅(214)의 두께(h)를 변화시키는 결과가 된다. 이와 반대로, 열전냉각기(230)에 전류를 인가하면 열전냉각기(230)에서는 흡열 작용이 일어나게 되며, 이에 따라 대역 통과 필터 코팅(214)을 이루고 있는 물질의 굴절률을 변화시키게 되며, 이 또한 대역 통과 필터 코팅(214)의 두께(h)를 변화시키는 결과가 된다.
그리고 이와 같이 히터(220) 또는 열전냉각기(230)에 의해 대역 통과 필터 코팅(214)의 두께(h)가 변하게 되면, 도 6에 나타낸 바와 같이 대역 통과형 필터(200)의 투과 특성이 변하게 되어 대역 통과형 필터(200)를 투과할 수 있는 파장이 변하게 된다. 즉, 도 6은 도 5의 대역 통과형 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 투과 특성을 나타낸 그래프로서, 히터(220) 및 열전냉각기(230)가 동작하지 않을 경우에는 도 5의 대역 통과형 필터(200)가 갖는 파장에 따른 투과 특성은 도 6에 도시된 초기 투과 특성과 같이 나타나지만, 히터(220)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 단파장쪽으로 이동하고, 열전냉각기(230)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 장파장쪽으로 이동하게 된다.
다만, 도 1, 3 및 5에 나타낸 파장 가변 필터에서는 파장을 가변시키는 장치로서 히터나 열전냉각기를 이용하는데, 이 히터나 열전냉각기는 발열 또는 흡열 가능한 온도 범위에 한계가 있기 때문에 파장 가변 범위에도 한계가 있다. 특히, 기판의 재질이 일반적인 유전체 물질인 경우에 그 온도에 대한 굴절률의 변화는 매우 작아서 수십 ~ 수백 pm/℃ 정도의 파장 가변만이 가능하다. 따라서, 종래 열적 방식에 의한 파장 가변 필터에서 파장 가변 범위를 넓히기 위해서는 필수적으로 넓은 열적 동작 범위를 필요로 하나, 이는 전체 소비 전력을 매우 크게 높인다는 또 다른 문제점을 발생시킨다.
게다가, 도 1에 나타낸 파장 가변 필터의 경우에는, 파장 가변 범위를 넓히기 위해서 격자(20)가 형성된 클래딩(12)의 굴절률을 크게 하는 방안이 있는데, 이 경우에는 전체 광도파로(10)의 길이를 길게 제작하여야 하기 때문에 파장 가변 필터의 크기가 지나치게 커진다는 문제점이 있다. 그리고 도 3에 나타낸 에탈론형 필터(100)의 경우에는, 충분히 넓은 FSR 특성을 갖도록 함과 동시에 온도에 따른 굴절률의 변화가 큰 재질의 기판을 사용하는 방안을 고려해볼 수 있으나, 이러한 에탈론형 필터(100)는 도 4에서 알 수 있듯이 투과 특성이 주기적인 피크 형태를 갖기 때문에 다파장이 동시에 출력될 수 있다는 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제0295502호(2001.04.30.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 소비 전력을 높이지 않고도 파장 가변 범위를 충분히 확대할 수 있는 파장 가변 필터를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 파장 가변 필터는, 에탈론형 필터 기판과, 파장에 따른 광의 투과 특성이 일정한 간격을 두고 주기적인 피크 형태를 갖도록 하기 위해 상기 에탈론형 필터 기판의 양면에 형성된 반사 코팅과, 전류가 인가되면 상기 에탈론형 필터 기판의 굴절률을 변화시켜 상기 주기적인 피크 형태의 피크 지점을 변화시키는 제1 굴절률 변화 수단을 갖는 에탈론형 필터; 및 상기 에탈론형 필터로부터 이격되어 위치하며, 상기 주기적인 피크 형태의 피크 지점 중 특정 피크 지점의 파장만을 투과시키는 대역 통과형 필터;를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1 굴절률 변화 수단은 히터 또는 열전냉각기일 수 있다.
그리고 상기 대역 통과형 필터는, 대역 통과형 필터 기판; 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판에 형성된 대역 통과 필터 코팅; 및 전류가 인가되면 상기 대역 통과 필터 코팅의 굴절률을 변화시키는 제2 굴절률 변화 수단;을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 대역 통과형 필터는, 상기 대역 통과형 필터 기판에서 상기 대역 통과 필터 코팅이 형성된 면의 반대면에 형성된 무반사 코팅을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 제2 굴절률 변화 수단은 히터 또는 열전냉각기일 수 있다.
그리고 상기 대역 통과형 필터는, 대역 통과형 필터 기판; 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판에 형성된 대역 통과 필터 코팅; 및 상기 에탈론형 필터를 투과한 광이 상기 대역 통과형 필터 기판에 입사되는 각도를 변화시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단;을 포함하여 이루어질 수도 있다.
여기서, 상기 대역 통과형 필터는, 상기 대역 통과형 필터 기판에서 상기 대역 통과 필터 코팅이 형성된 면의 반대면에 형성된 무반사 코팅을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 기울기 조절 수단은, 동력이 공급되면 회전에 의해 상기 대역 통과형 필터 기판의 기울기를 조절하는 회전자일 수 있다.
또는, 상기 기울기 조절 수단은, 전류가 인가되면 발생되는 열로 인해 휘어지는 성질에 의해 상기 대역 통과형 필터 기판의 기울기를 조절하는 바이메탈일 수 있다.
또는, 상기 기울기 조절 수단은, 상기 대역 통과형 필터 기판에 장착되어, 전압이 인가되면 인가되는 전압의 극성에 따라 팽창 및 수축하는 성질에 의해 상기 대역 통과형 필터 기판의 기울기를 조절하는 소자일 수 있다.
본 발명에 의하면 에탈론형 필터가 갖는 주기적인 투과 특성과 대역 통과형 필터가 갖는 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키는 특성을 동시에 이용하도록 구성되어 있기 때문에 소비전력을 크게 감소시킬 수 있고, 히터나 열전냉각기의 발열 또는 흡열 가능한 온도 범위의 한계를 극복하고 파장 가변 범위 또한 충분히 확대시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래 열적 방식에 의한 도파로형 파장 가변 필터를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 도파로형 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 광의 투과 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래 열적 방식에 의한 에탈론형 파장 가변 필터를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 에탈론형 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 광의 투과 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래 열적 방식에 의한 대역 통과형 파장 가변 필터를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 대역 통과형 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 광의 투과 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 광의 투과 특성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 파장 가변 필터에 대하여 상세하게 설명한다. 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 동일한 부호들로 나타내며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7의 파장 가변 필터가 갖는 파장에 따른 광의 투과 특성을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 필터는, 도 3 및 도 4에 대해 상술한 바와 같이, 에탈론형 필터 기판(110), 파장에 따른 광의 투과 특성이 일정한 간격(FSR)을 두고 주기적인 피크 형태를 갖도록 하기 위해 상기 에탈론형 필터 기판(110)의 양면에 형성된 반사 코팅(115), 및 전류가 인가되면 상기 에탈론형 필터 기판(110)의 굴절률을 변화시켜 상기 주기적인 피크 형태의 피크 지점을 변화시키는 제1 굴절률 변화 수단을 갖는 에탈론형 필터(100)를 포함하여 이루어질 수 있다.
에탈론형 필터 기판(110)은 실리콘으로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 온도에 따라 굴절률이 변하는 재질이기만 하면 이에 해당될 수 있다.
에탈론형 필터 기판(110)의 양면에는 반사 코팅(115)이 형성되어 있는데, 이로 인해 에탈론형 필터 기판(110)의 일면에 입력되는 광 중에서 도 4에 도시된 바와 같은 주기적인 피크 형태의 피크 지점에 해당하는 파장만이 에탈론형 필터 기판(120)의 타면으로 출력된다. 여기서, 주기적인 피크 사이의 간격(FSR)은 에탈론형 필터 기판(110)의 두께(d)에 반비례하고, 피크의 예리함 정도(finesse)는 반사 코팅(115)의 반사율에 비례한다.
제1 굴절률 변화 수단은 히터(120) 또는 열전냉각기(130)일 수 있으며, 이에 전류가 인가되면 에탈론형 필터 기판(110)의 온도를 변화시켜 에탈론형 필터 기판(110)의 굴절률을 변화시킨다. 그리고 이와 같이 에탈론형 필터 기판(110)의 굴절률이 변하게 되면, 주기적인 피크 사이의 간격(FSR)은 그대로 유지된 채 에탈론형 필터 기판(110)의 타면으로 출력되는 주기적인 피크 형태의 피크 지점에 변화가 일어나게 된다. 즉, 히터(120) 및 열전냉각기(130)가 동작하지 않을 경우에는 도 3의 에탈론형 필터(100)가 갖는 파장에 따른 투과 특성은 도 4에 도시된 초기 투과 특성과 같이 나타나지만, 히터(120)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 단파장쪽으로 이동하고, 열전냉각기(130)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 장파장쪽으로 이동하게 된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 필터는, 상기 에탈론형 필터(100)로부터 이격되어 위치하며, 상기 주기적인 피크 형태의 피크 지점 중 특정 피크 지점의 파장만을 투과시키는 대역 통과형 필터(200)를 포함한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 필터에서 대역 통과형 필터(200)는, 도 5 및 도 6에 대해 상술한 바와 같이, 대역 통과형 필터 기판(210), 상기 대역 통과형 필터 기판(210)의 일면에 형성된 무반사 코팅(212), 상기 대역 통과형 필터 기판(210)의 타면에 형성된 대역 통과 필터 코팅(214), 그리고 전류가 인가되면 상기 대역 통과 필터 코팅(214)의 굴절률을 변화시키는 제2 굴절률 변화 수단을 포함하여 이루어질 수 있다.
대역 통과형 필터 기판(210)은 상기 에탈론형 필터 기판(110)과 마찬가지로 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 이 밖에도 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시킬 수 있는 재질이기만 하면 이에 해당될 수 있다.
대역 통과형 필터 기판(210)의 일면에 형성된 무반사 코팅(212)은 상기 기판(210)의 일면에 입력되는 광의 반사를 방지하여 최대한 많은 양의 광이 상기 기판(210)의 타면에 도달할 수 있도록 한다.
그리고 대역 통과형 필터 기판(210)의 타면에 형성된 대역 통과 필터 코팅(214)은 상기 기판(210)의 타면에 도달하는 광 중에서 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키는 역할을 하며, 이로 인해 대역 통과형 필터 기판(210)의 일면에 입력되는 광은 상기 기판(210)의 타면으로 출력되면서 도 6에 도시된 초기 투과 특성과 같은 투과 특성을 나타내게 된다. 여기서, 상기와 같은 대역 통과형 필터(200)의 투과 특성은 대역 통과 필터 코팅(214)을 구성하는 각 박막의 두께(hf1,hf2, hf3, hf4 등)에 따라 결정되며, 이 박막들의 두께는 제2 굴절률 변화 수단에 의해 변화시킬 수 있다.
제2 굴절률 변화 수단은 히터(220) 또는 열전냉각기(130)일 수 있으며, 이에 전류가 인가되면 대역 통과형 필터 기판(210)의 온도를 변화시켜 대역 통과형 필터 기판(210)의 굴절률을 변화시킨다. 그리고 이와 같이 대역 통과형 필터 기판(210)의 굴절률이 변하게 되면, 도 6에 도시된 바와 같이 대역 통과형 필터 기판(210)의 타면으로 투과되는 광의 파장 대역에 변화가 일어나게 된다. 즉, 히터(220) 및 열전냉각기(130)가 동작하지 않을 경우에는 도 5의 대역 통과형 필터(200)가 갖는 파장에 따른 투과 특성은 도 6에 도시된 초기 투과 특성과 같이 나타나지만, 히터(220)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 단파장쪽으로 이동하고, 열전냉각기(130)가 동작할 경우에는 투과 특성이 초기 투과 특성 대비 장파장쪽으로 이동하게 된다.
여기서, 대역 통과형 필터(200)에 이용되는 열전냉각기를 에탈론형 필터(100)에 이용되는 열전냉각기와는 별도로 구비할 수도 있지만, 도 7에 도시된 바와 같이 에탈론형 필터(100)와 대역 통과형 필터(200)가 공동으로 이용할 수 있는 하나의 열전냉각기(130)만을 구비함으로써 그만큼의 필터 제작 비용 및 소모 전력을 감소시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 에탈론형 필터(100)에 만일 다파장의 광(λ1~λ3")이 입력된다고 할 때, 상기 다파장의 광(λ1~λ3")은 에탈론형 필터(100)를 거치면서 λ1, λ2, λ3 파장의 광만이 출력됨을 알 수 있고, 상기 λ1, λ2, λ3 파장의 광은 에탈론형 필터(100)의 후단에 위치하는 대역 통과형 필터(200)에 의해 λ1 파장의 광만이 투과될 수 있으므로 최종적으로 λ1 파장의 광이 출력됨을 알 수 있다.
여기서 만일 λ2 파장의 광을 최종적으로 출력시키기 위해서는, 에탈론형 필터(100)의 투과 특성은 그대로 유지(λ1, λ2, λ3 파장의 광만이 출력되도록 유지)한 채, 제2 굴절률 변화 수단(구체적으로는, 열전냉각기(130))을 통해 대역 통과 필터 코팅(214)의 굴절률을 변화시켜 λ2~λ2'" 파장을 투과시키는 파장 대역을 갖도록 대역 통과형 필터(200)의 투과 특성을 변화시키면 된다. 도 1에 도시된 도파로형 파장 가변 필터의 경우에는 λ1 파장의 광을 출력시키다가 λ2 파장의 광을 출력시키기 위해서는 열전냉각기(40)에 많은 양의 전류를 인가하여야 한다. 이에 반해, 본 발명에 의하면 에탈론형 필터(100)가 갖는 주기적인 투과 특성과 대역 통과형 필터(200)가 갖는 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키는 특성을 동시에 이용하도록 구성되어 있기 때문에, 도 1에 도시된 도파로형 파장 가변 필터에 비해 소비전력을 크게 감소시킬 수 있으며, 그뿐 아니라 히터나 열전냉각기의 발열 또는 흡열 가능한 온도 범위의 한계를 극복하고 파장 가변 범위 또한 충분히 확대시킬 수 있게 된다.
그리고 여기서 만일 λ2' 파장의 광을 최종적으로 출력시키기 위해서는, 대역 통과형 필터(200)의 투과 특성은 그대로 유지(λ2~λ2'" 파장의 광만이 출력되도록 유지)한 채, 제1 굴절률 변화 수단(구체적으로는, 열전냉각기(130))을 통해 에탈론형 필터 기판(110)의 굴절률을 변화시켜 λ1', λ2', λ3' 파장이 주기적인 피크 형태의 피크 지점에 해당하도록 에탈론형 필터(100)의 투과 특성을 변화시키면 된다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면이며, 도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제2 실시예 내지 제4 실시예에 따른 파장 가변 필터는 앞선 제1 실시예와 마찬가지의 에탈론형 필터(100)를 이용하며, 다만 상기 에탈론형 필터(100)로부터 이격되어 위치하며, 주기적인 피크 형태의 피크 지점 중 특정 피크 지점의 파장만을 투과시키는 역할을 제1 실시예와는 다른 형태의 대역 통과형 필터(200')가 담당한다는 점에서 차이가 있다.
우선, 도 9를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 필터에 대해 설명하기로 한다.
도 9에 도시된 대역 통과형 필터(200')는 대역 통과형 필터 기판(260), 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 일면에 형성된 무반사 코팅(262), 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 타면에 형성된 대역 통과 필터 코팅(264), 그리고 에탈론형 필터(100)를 투과한 광이 상기 대역 통과형 필터 기판(260)에 입사되는 각도를 변화시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단으로서 회전자(266)를 포함하여 이루어질 수 있다.
대역 통과형 필터 기판(260)은 상기 에탈론형 필터 기판(110)과 마찬가지로 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 이 밖에도 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시킬 수 있는 재질이기만 하면 이에 해당될 수 있다.
대역 통과형 필터 기판(260)의 일면에 형성된 무반사 코팅(262)은 상기 기판(260)의 일면에 입력되는 광의 반사를 방지하여 최대한 많은 양의 광이 상기 기판(260)의 타면에 도달할 수 있도록 한다.
그리고 대역 통과형 필터 기판(260)의 타면에 형성된 대역 통과 필터 코팅(264)은 상기 기판(260)의 타면에 도달하는 광 중에서 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키는 역할을 하며, 이로 인해 대역 통과형 필터 기판(260)의 일면에 입력되는 광은 상기 기판(260)의 타면으로 출력되면서 도 6에 도시된 초기 투과 특성과 같은 투과 특성을 나타내게 된다.
도 9에 나타낸 대역 통과형 필터(200')에서 광은 무반사 코팅(262)이 형성된 대역 통과형 필터 기판(260)의 일면으로 입력되며, 대역 통과 필터 코팅(264)에 의해 상기 입력된 광 중에서 소정의 파장 대역을 갖는 광만이 대역 통과형 필터 기판(260)의 타면으로 출력되게 된다.
여기서, 상기와 같은 대역 통과형 필터(200')의 투과 특성은 대역 통과 필터 코팅(264)의 두께(h')에 따라 결정되며, 이 두께(h')는 대역 통과형 필터 기판(260)에 입사되는 광의 각도, 보다 구체적으로는 도 9에 나타낸 바와 같이 대역 통과형 필터 기판(260)의 일면을 향해 입사되는 광(실선 참조)을 기준으로 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 중심축(파선 참조)이 이루는 각도(이하, '입사각'이라 함)에 의해 변화시킬 수 있다.
구체적으로, 대역 통과형 필터 기판(260)을 시계 방향으로 회전시키면, 대역 통과 필터 코팅(264)은 입사각을 θi라 할 때
Figure pat00001
만큼의 두께 변위를 가지게 된다. 여기서, h'fx는 대역 통과형 필터 기판(260)에 형성된 각 필터 코팅의 두께(h'f1, h'f2, h'f3, h'f4 등)를 나타낸다.
회전자(266)는 대역 통과형 필터 기판(260)에 장착되어, 동력이 공급되면 회전에 의해 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절하는 역할을 하며, 이에 따라 대역 통과형 필터 기판(260)에 입사되는 광의 입장에서는 대역 통과 필터 코팅(264)을 구성하는 박막들의 두께(h'f1, h'f2, h'f3, h'f4 등)가 변하는 결과가 된다. 여기서, 도 9에 도시된 바와 같은 회전자(266)를 이용하게 되면 회전 각을 크게 할 수 있다는 이점이 있다.
그리고 이와 같이 회전자(266)에 의해 대역 통과 필터 코팅(264)을 구성하는 박막들의 두께(h'f1, h'f2, h'f3, h'f4 등)가 변하게 되면, 대역 통과형 필터(200')의 투과 특성이 변하게 되어 대역 통과형 필터(200')를 투과할 수 있는 파장이 변하게 된다. 예를 들어, 입사각이 0도인 경우에는 가장 단파장의 광을 투과하며, 입사각이 커질수록 투과 특성이 장파장쪽으로 이동하게 된다.
다시 도 8을 참조하여 설명하면, 에탈론형 필터(100)에 만일 다파장의 광(λ1~λ3")이 입력된다고 할 때, 상기 다파장의 광(λ1~λ3")은 에탈론형 필터(100)를 거치면서 λ1, λ2, λ3 파장의 광만이 출력됨을 알 수 있고, 상기 λ1, λ2, λ3 파장의 광은 에탈론형 필터(100)의 후단에 위치하는 대역 통과형 필터(200')에 의해 λ1 파장의 광만이 투과될 수 있으므로(입사각은 0도) 최종적으로 λ1 파장의 광이 출력됨을 알 수 있다.
여기서 만일 λ2 파장의 광을 최종적으로 출력시키기 위해서는, 에탈론형 필터(100)의 투과 특성은 그대로 유지(λ1, λ2, λ3 파장의 광만이 출력되도록 유지)한 채, 회전자(266)를 통해 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절(예를 들어, 대역 통과형 필터 기판(260)을 시계 방향으로 회전)시켜 λ2~λ2'" 파장만을 투과시키는 파장 대역을 갖도록 대역 통과형 필터(200')의 투과 특성을 변화시키면 된다. 도 1에 도시된 도파로형 파장 가변 필터의 경우에는 λ1 파장의 광을 출력시키다가 λ2 파장의 광을 출력시키기 위해서는 열전냉각기(40)에 많은 양의 전류를 인가하여야 한다. 이에 반해, 본 발명에 의하면 에탈론형 필터(100)가 갖는 주기적인 투과 특성과 대역 통과형 필터(200')가 갖는 소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키는 특성을 동시에 이용하도록 구성되어 있기 때문에, 도 1에 도시된 도파로형 파장 가변 필터에 비해 소비전력을 크게 감소시킬 수 있으며, 그뿐 아니라 히터나 열전냉각기의 발열 또는 흡열 가능한 온도 범위의 한계를 극복하고 파장 가변 범위 또한 충분히 확대시킬 수 있게 된다.
그리고 여기서 만일 λ2' 파장의 광을 최종적으로 출력시키기 위해서는, 대역 통과형 필터(200')의 투과 특성은 그대로 유지(λ2~λ2'" 파장의 광만이 출력되도록 유지)한 채, 제1 굴절률 변화 수단(구체적으로는, 열전냉각기(130))을 통해 에탈론형 필터 기판(110)의 굴절률을 변화시켜 λ1', λ2', λ3' 파장이 주기적인 피크 형태의 피크 지점에 해당하도록 에탈론형 필터(100)의 투과 특성을 변화시키면 된다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면으로서, 본 발명의 제3 실시예는 앞선 제2 실시예와 비교해서 다른 구성요소는 모두 동일하며, 단지 기울기 조절 수단으로서 바이메탈(267)을 이용한다는 점만 차이가 있다.
즉, 도 10에 도시된 대역 통과형 필터(200')는 대역 통과형 필터 기판(260), 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 일면에 형성된 무반사 코팅(262), 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 타면에 형성된 대역 통과 필터 코팅(264), 그리고 에탈론형 필터를 투과한 광이 상기 대역 통과형 필터 기판(260)에 입사되는 각도를 변화시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단으로서 바이메탈(267)을 포함하여 이루어질 수 있다.
바이메탈(267)은 열팽창계수가 다른 두 종류의 금속을 포개어 제작되는 막대 형태의 부품으로서, 전류가 인가되면 이에 따라 열이 발생하고 그 발생되는 열로 인해 휘어지는 성질이 있다. 본 발명의 제3 실시예에서는 이러한 바이메탈(267)을 대역 통과형 필터 기판(260)에 장착함으로써, 전류가 인가되면 발생되는 열로 인해 휘어지는 바이메탈(267)의 성질에 의해 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절한다. 이 경우 대역 통과형 필터 기판(260)에 입사되는 광의 입장에서는 대역 통과 필터 코팅(264)의 두께가 변하는 결과가 된다. 대역 통과형 필터(200')가 갖는 파장 대역의 변화는 대체로 미세한 각도 변경으로도 가능하기 때문에 바이메탈(267)과 같이 작은 양의 회전을 구현할 수 있는 수단을 이용할 수 있다.
그리고 이와 같이 바이메탈(267)에 의해 대역 통과 필터 코팅(264)의 두께가 변하게 되면, 대역 통과형 필터(200')의 투과 특성이 변하게 되어 대역 통과형 필터(200')를 투과할 수 있는 파장이 변하게 된다. 예를 들어, 입사각이 0도인 경우에는 가장 단파장의 광을 투과하며, 입사각이 커질수록 투과 특성이 장파장쪽으로 이동하게 된다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 파장 가변 필터를 나타낸 도면으로서, 본 발명의 제4 실시예는 앞선 제2 실시예와 비교해서 다른 구성요소는 모두 동일하며, 단지 기울기 조절 수단을 달리 한다는 점에서만 차이가 있다.
즉, 도 11에 도시된 대역 통과형 필터(200')는 대역 통과형 필터 기판(260), 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 일면에 형성된 무반사 코팅(262), 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 타면에 형성된 대역 통과 필터 코팅(264), 그리고 에탈론형 필터를 투과한 광이 상기 대역 통과형 필터 기판(260)에 입사되는 각도를 변화시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단으로서 2개의 PZT 소자(268, 269)를 포함하여 이루어질 수 있다.
PZT 소자(268, 269)는 전압이 인가되면 그 인가되는 전압의 극성에 따라 팽창 또는 수축하는 성질이 있다. 본 발명의 제4 실시예에서는 이러한 PZT 소자(268, 269)를 대역 통과형 필터 기판(260)의 상부에 박막 형태로 장착하되, (+) 전압이 인가되면 팽창하는 PZT 소자(268)와 (-) 전압이 인가되면 수축하는 PZT 소자(269)를 별도 위치에 구비함으로써 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절한다. 이 경우 대역 통과형 필터 기판(260)에 입사되는 광의 입장에서는 대역 통과 필터 코팅(264)의 두께가 변하는 결과가 된다. 대역 통과형 필터(200')가 갖는 파장 대역의 변화는 대체로 미세한 각도 변경으로도 가능하기 때문에 PZT 소자(268, 269)와 같이 작은 양의 회전을 구현할 수 있는 수단을 이용할 수 있다.
그리고 이와 같이 PZT 소자(268, 269)에 의해 대역 통과 필터 코팅(264)의 두께가 변하게 되면, 대역 통과형 필터(200')의 투과 특성이 변하게 되어 대역 통과형 필터(200')를 투과할 수 있는 파장이 변하게 된다. 예를 들어, 입사각이 0도인 경우에는 가장 단파장의 광을 투과하며, 입사각이 커질수록 투과 특성이 장파장쪽으로 이동하게 된다.
비록 본 발명의 제4 실시예에 따른 파장 가변 필터에서는 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절하는 수단으로서 2개의 PZT 소자(268, 269)를 예로 들어 설명했지만, PZT 소자의 수는 2개 이상일 수 있고, PZT 소자 이외에도 전압이 인가되면 그 인가되는 전압의 극성에 따라 팽창 또는 수축하는 성질을 갖는 소자이기만 하면 얼마든지 본 발명의 제4 실시예에 따른 기울기 조절 수단이 될 수 있다.
또한, 본 발명에서 기울기 조절 수단은 상술한 회전자(266), 바이메탈(267), PZT 소자(268, 269)에 한정되는 것은 아니며, 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절할 수 있는 수단이기만 하면 얼마든지 다양할 수 있다. 예를 들어, MEMS 방식으로 제작된 프레임을 도 10의 바이메탈(267)과 같은 형태로 준비해서 대역 통과형 필터 기판(260)에 장착한 뒤, 상기 프레임에 전압을 인가하여 상기 프레임의 이동에 의해 대역 통과형 필터 기판(260)의 기울기를 조절할 수 있도록 구성할 수도 있는 것이다.
이와 같이 본 발명에서 대역 통과형 필터(200')를 포함하여 구성할 경우에는, 에탈론형 필터(100)로부터의 광이 투과될 수 있는 파장 대역을 설정함에 있어서 히터나 열전냉각기를 이용하지 않아도 되기 때문에, 대역 통과형 필터(200)를 포함하여 구성하는 경우에 비해 소비 전력을 낮출 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 에탈론형 필터
110: 에탈론형 필터 기판
115: 반사 코팅
120: 히터
130: 열전냉각기
200, 200': 대역 통과형 필터
210, 260: 대역 통과형 필터 기판
212, 262: 무반사 코팅
214, 264: 대역 통과 필터 코팅
220: 히터
230: 열전냉각기
266: 회전자
267: 바이메탈
268, 269: PZT 소자

Claims (10)

  1. 에탈론형 필터 기판과, 파장에 따른 광의 투과 특성이 일정한 간격을 두고 주기적인 피크 형태를 갖도록 하기 위해 상기 에탈론형 필터 기판의 양면에 형성된 반사 코팅과, 전류가 인가되면 상기 에탈론형 필터 기판의 굴절률을 변화시켜 상기 주기적인 피크 형태의 피크 지점을 변화시키는 제1 굴절률 변화 수단을 갖는 에탈론형 필터; 및
    상기 에탈론형 필터로부터 이격되어 위치하며, 상기 주기적인 피크 형태의 피크 지점 중 특정 피크 지점의 파장만을 투과시키는 대역 통과형 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 굴절률 변화 수단은 히터 또는 열전냉각기인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대역 통과형 필터는,
    대역 통과형 필터 기판;
    소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판에 형성된 대역 통과 필터 코팅; 및
    전류가 인가되면 상기 대역 통과 필터 코팅의 굴절률을 변화시키는 제2 굴절률 변화 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 대역 통과형 필터는,
    상기 대역 통과형 필터 기판에서 상기 대역 통과 필터 코팅이 형성된 면의 반대면에 형성된 무반사 코팅을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 굴절률 변화 수단은 히터 또는 열전냉각기인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 대역 통과형 필터는,
    대역 통과형 필터 기판;
    소정의 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판에 형성된 대역 통과 필터 코팅; 및
    상기 에탈론형 필터를 투과한 광이 상기 대역 통과형 필터 기판에 입사되는 각도를 변화시키기 위해 상기 대역 통과형 필터 기판의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 대역 통과형 필터는,
    상기 대역 통과형 필터 기판에서 상기 대역 통과 필터 코팅이 형성된 면의 반대면에 형성된 무반사 코팅을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기울기 조절 수단은,
    동력이 공급되면 회전에 의해 상기 대역 통과형 필터 기판의 기울기를 조절하는 회전자인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 기울기 조절 수단은,
    전류가 인가되면 발생되는 열로 인해 휘어지는 성질에 의해 상기 대역 통과형 필터 기판의 기울기를 조절하는 바이메탈인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 기울기 조절 수단은,
    상기 대역 통과형 필터 기판에 장착되어, 전압이 인가되면 인가되는 전압의 극성에 따라 팽창 및 수축하는 성질에 의해 상기 대역 통과형 필터 기판의 기울기를 조절하는 소자인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
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KR101479734B1 (ko) * 2013-07-26 2015-01-06 전자부품연구원 구조광 패턴 기반의 3차원 형상 측정 시스템

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