[논문]표면 플라즈몬 광섬유 편광기 설계 및 제작

이준옥; 김철호; 김광택; 권광희; 송재원

doi:10.3807/kjop.2003.14.2.169

표면 플라즈몬 광섬유 편광기 설계 및 제작
Design and fabrication of the surface plasmon fiber polarizer 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.14 no.2, 2003년, pp.169 - 174

이준옥 (호남대학교 광전자 공학과) , 김철호 (호남대학교 광전자 공학과) , 김광택 (호남대학교 광전자 공학과) , 권광희 (경북대학교 전자전기컴퓨터공학부) , 송재원 (경북대학교 전자전기컴퓨터공학부)

초록
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본 논문은 금속박막과 결합된 측면 연마 단일 모드 광섬유를 이용한 편광기에 관하여 이론 및 실험 연구 결과를 보고한다. 금속 박막의 두께와 상부 유전체의 굴절률이 소자특성에 미치는 영향을 직교 모드이론으로 분석하였다. 이론적 예측을 토대로 광통신파장에서 편광 소멸비가 40 ㏈, 그리고 삽입 손실이 0.5 ㏈를 가지는 편광기를 구현하였다.

We report theoretical and experimental investigation of a polarizer made of single mode side-polished fiber covered with a metal film. The influence of the metal film thickness and the refractive index of overlay on the device performance has been analyzed in terms of the normal mode theory. Based on the theoretical prediction, a polarizer with 40 ㏈ of polarization extinction ratio and 0.5 ㏈ insertion loss at optical communication wavelength has been realized.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

그E io 금속의 두께와 상부 유전체층의 굴절률에 따른 편광소멸 d 너〕(실험 결과), (a) X= 1310 nm (b) X= 1550 nm.
소자 해석에서 포함된 길이는 5 mm로 설정하고 결합영역을 800개의 직선화된 영역으로 나누어 해석하였다. 곡률 반경은 25 cm로 가정하였다.
금속 두께와 상부 유전체의 굴절률에 따른 TM 편광의 소멸비를 계산할 때 계산시간을 줄이기 위해 등가적인 결합 길이μ기내에서는 광섬유를 직선으로 간주하고 결합영역외에서는 전혀 결합이 발생하지 않는 것으로 가정하여 해석하였다. 여기서 계산된 등가적인 결합길이는 2.
반면 TM 모드는 그림 4에 보이듯 금속층이 충분히 두꺼운 경우 광섬유 코어에 갇혀 진행하는 모드뿐만 하니라 금속층을 따라 진행하는 모드들이 존재함을 알 수 있다. 여기서 금속은 알루미늄으로 가정하였고 굴절률은 1310nm에서 1.2-jl2이다. 금속층을 따라 진행하는 모드를 표면플라즈몬 모드(surface plasmon mode)로 부른다.

제안 방법

광섬유가 진행 방향으로 구부려져 있기 때문에 소자해석을 위해 광섬유를 그림 5와 같이 다수의 직선화된 구조로 나누어 해석하였다. 소자 해석에서 포함된 길이는 5 mm로 설정하고 결합영역을 800개의 직선화된 영역으로 나누어 해석하였다.
금속충이 포함된 다층 평판도파로의 모드의 해를 정확하게 구하는 과정을 상세하게 기술하였다. 광섬유를 등가적인 평판도파로로 대 치시키고 직교모드이론으로 높은 편광 소멸비를 가지는 편광 기 구조를 예즉하였다. 특히 금속 위에 올려지는 상부 유전체 층의 굴절률이 광섬유의 유효굴절률 보다 더 큰 경우에도 소 자 해석이 가능한 방법을 제시하였다.
5cm³)에 25 cm의 곡률 반경과 140um 폭을 가지는 홈을 형성하였다. 광섬유의 코팅을 일부 탈피시킨 후 에폭시로 광섬유를 쿼츠홈 속에 고정시키고 #3000과 #8000 알루미나 연마 가루를 이용하여 광섬유의 클래딩을 연마로 제 거하였다. 연마로 클래딩을 제거하고 연마된 표면을 세척한 후 그 위에 알루미늄을 진공 열 증착하였다.
제안된 편광기구조에서 TE 편광과 TM 편 광성분이 전송되는 과정을 도식적으로 보였고 이로부터 TN' 편광이 소멸되는 원리를 설명하였다. 금속 두께와 위에 놓은 유전체의 굴절률이 소자의 성능에 미치는 영향을 이론과 실어으로 분석하였다. 실험 결과는 이론적 예측과 일치함을 보였다.
광섬유가 진행 방향으로 구부려져 있기 때문에 소자해석을 위해 광섬유를 그림 5와 같이 다수의 직선화된 구조로 나누어 해석하였다. 소자 해석에서 포함된 길이는 5 mm로 설정하고 결합영역을 800개의 직선화된 영역으로 나누어 해석하였다. 곡률 반경은 25 cm로 가정하였다.
소자의 광학적 전달 특성을 해석하기 위하여 광섬유를 등가적인 평판도파로로 바꾸어 해석하는 기법을 도입하였다. 그림 2에 실제 편광기의 소자구조와 등가화된 편광기의 단면 구조가 나타나 있다.
5 dB 정도였다. 실험 결과를 바탕으로 리셉타클 형 편광기를 구현하였다. 그림 11은 연마된 광섬유 블록을 알루미늄 케이스에 내장 후 리셉터클(receptacle) 구조로 완성한 소자 사진이다.
실험 결과는 이론적 예측과 일치함을 보였다. 이론 및 실험 결과를 토대로 1.31 pm와 1.55 urn 파장에서 40 dB 이상의 편광 소멸비를 가지는 리셉타클(receptacle) 형 편낙기를 구현하였다.
특히 금속 위에 올려지는 상부 유전체 층의 굴절률이 광섬유의 유효굴절률 보다 더 큰 경우에도 소 자 해석이 가능한 방법을 제시하였다. 이론적 예측을 바탕으로 광통신용 단일모드 광섬유를 이용하여 편광기를 제작하였다. 실험 결과 높은 편광 소멸비를 가지는 소자의 구조 조건 은 이론적 예측과 잘 일치하였다.
지금까지의 이론을 바탕으로 금속박막층을 가지는 측면 연마광섬유에서 광의전송 과정을 구하였다. 그림6는 편광기 영역에서 TE 모드 전송 과정을 구한 결과이다.
측면 연마된 광섬유 위에 금속막과 유전체층이 형성된 플라 즈몬 편광기의 특성을 이론과 실험으로 분석하였다. 금속충이 포함된 다층 평판도파로의 모드의 해를 정확하게 구하는 과정을 상세하게 기술하였다.
광섬유를 등가적인 평판도파로로 대 치시키고 직교모드이론으로 높은 편광 소멸비를 가지는 편광 기 구조를 예즉하였다. 특히 금속 위에 올려지는 상부 유전체 층의 굴절률이 광섬유의 유효굴절률 보다 더 큰 경우에도 소 자 해석이 가능한 방법을 제시하였다. 이론적 예측을 바탕으로 광통신용 단일모드 광섬유를 이용하여 편광기를 제작하였다.

대상 데이터

연마로 클래딩을 제거하고 연마된 표면을 세척한 후 그 위에 알루미늄을 진공 열 증착하였다. 상부 유전체로 사용 하기 위해 물과 글리세린을 혼합하여 다양한 굴절률을 가지는 용액을 준비하였다. 준비된 물과 글리세린의 혼합비에 따른 굴 절률을 프리즘 결합장치(새론)로 22℃에서 630 rnn 파장과 1550 nm 레이저 광으로 측정한 결과가 그림 9에 나타나 있다.
872이다. 이론적 해석에서 파장은 1310 nm 설정하였다.
그림 11은 연마된 광섬유 블록을 알루미늄 케이스에 내장 후 리셉터클(receptacle) 구조로 완성한 소자 사진이다.젠포토닉스사의 폴리머인 ZPU12와 ZPU13을 혼합하여 상부유전체로 사용하였다. 이 두 물질의 섞는 비율을 조절하여 원하는 굴절률을 가지는 상부 유전체를 얻는다.
쿼츠 블록(2.5><lX0.5cm³)에 25 cm의 곡률 반경과 140um 폭을 가지는 홈을 형성하였다. 광섬유의 코팅을 일부 탈피시킨 후 에폭시로 광섬유를 쿼츠홈 속에 고정시키고 #3000과 #8000 알루미나 연마 가루를 이용하여 광섬유의 클래딩을 연마로 제 거하였다.

성능/효과

소자의 출력단에서 TM 편 광성분을 효과적으로 제거하기 위해서는 광섬유 모드와 금속과 유전체 경계를 따라 진행하는 표면 플라즈몬 모드(surface plasmon mode)와 효과적인 결합을 유도하는 것이다.(3) 광섬유 모드와 표면 플라즈몬 모드 사이에 위상정합 조건을 만족할 때 TM 편 광성분은 금속층을 따라가면서 소멸된다. 표면 플라즈몬 모드의 유효굴절률은 금속 박막의 두께와 상부층(overlay)의 굴절률의 함수이다.
광섬유 코어와 금속층이 점점 가까워짐에 따라 모드 진화(mode evolution) 현상 때문에 모드 패턴이 바뀌는 현상을 볼 수 있다. TE 모드 는 금속내부로 갈수록 급속히 그 세기가 감소하기 때문에 금속에 의한 흡수 손실이 이론적으로 0.1 dB 이하로 매우 작게 나타났다.
이론적 예측을 바탕으로 광통신용 단일모드 광섬유를 이용하여 편광기를 제작하였다. 실험 결과 높은 편광 소멸비를 가지는 소자의 구조 조건 은 이론적 예측과 잘 일치하였다. 연마된 광섬유 위에 올려지 는 금속막의 두께와 그 위에 올려지는 유전체의 굴절률을 조 절하여 파장 1.
븐-논문은 측면 연마된 광섬유와 금속박막을 이용한 편광기 U 진달 특성을 직교 모드이론(normal mode theory)[5]으로 해야하는 방법을 제안하고 높은 성능을 얻을 수 있는 소자 설계기법을 제안하였다. 제안된 편광기구조에서 TE 편광과 TM 편 광성분이 전송되는 과정을 도식적으로 보였고 이로부터 TN' 편광이 소멸되는 원리를 설명하였다. 금속 두께와 위에 놓은 유전체의 굴절률이 소자의 성능에 미치는 영향을 이론과 실어으로 분석하였다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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