실리카 ZIPPER형 광공진기를 이용한 광경로 변환 응용 제안

2014-07-31 2022-09-23 miyahara

Research

2014-07-31

광복사 압력으로 동작하는 새로운 전광 스위치를 실현하기 위해!

빛은 운동량을 가지고 있기 때문에 물질에 부딪힐 때 압력을 발생시킨다. 이 압력을 광방사압이라고 하는데, 매우 약한 힘이기 때문에 소자 연구에 이용되는 경우는 거의 없었다. 그러나 최근 미세 광공진기 기술의 발달로 광복사 압력을 효율적으로 증가시켜 공진기 구조를 제어하는 옵토메카닉스 연구 분야가 발전하고 있습니다. 우리는 실리카 지퍼형 광공진기를 이용하여 광복사 압력을 동작 원리로 하는 새로운 전광 스위치를 이론적으로 검토하였다.

실리카 지퍼형 광공진기는 그림 1 (a)와 같이 두 개의 나노빔형 광공진기가 근접한 구조를 가지고 있으며, 지퍼 공진기는 그 중심부에 빛을 가두어 강화하기 때문에 두 개의 가교 구조 사이에 강한 광복사 압력이 발생한다. 이 광복사 압력이 충분히 강해지면 공진기 구조가 변위되어 두 개의 나노빔 공진기 사이의 간격이 변하게 된다. 우리는 이 동작을 동적으로 제어할 수 있는 방향성 커플러에 이용하는 것을 생각했다. 방향성 결합기는 두 개의 광 도파관이 근접한 구성을 가진 빛의 합분파에 이용되는 소자로, 이때 도파관 간격을 적절히 변화시킴으로써 빛의 경로 변경에 이용할 수 있다(Fig. 1 (b)). 이 도파관을 zipper 공진기로 대체하면 도파관 간격을 광복사 압력으로 변경하여 동작하는 광로 변환 스위치를 실현할 수 있다. 이와 같이 광방사압으로 구동하는 전광 스위치는 세계 최초의 연구이며, 우리는 MOMS(Micro Opto-Mechanical system) 스위치라고 명명하였다.

그림 1 (a) 지퍼 캐비티의 개략도. (b) 지향성 커플러 도파관에서 빛이 전파되는 개략도.

MOMS 스위치의 설계 및 성능의 수치해석을 위해 공진기 재료로 실리카를 선택하였다. 실리카는 다른 광학 재료에 비해 강성이 약하기 때문에 큰 구조적 변위가 필요한 응용에 적합하다고 생각된다. 또한, 이용 가능한 파장대역이 넓다는 장점을 살려 제어광을 가시광대역, 신호광을 통신광대역으로 선택하였습니다. 이렇게 함으로써 신호광은 브래그미러에 의한 모드 국부화에 영향을 받지 않고 전파할 수 있습니다.
공진기 구조가 광복사 압력에 의해 움직일 때 공진 주파수 변화는 단열적으로 이루어지기 때문에, 광복사 압력은 공진기 내부 에너지 U(공진 주파수 ω)의 변위 거리 s 의존성(dU/ds = ħdω/ds)으로 계산할 수 있다. 우리는 공진기 간격을 변화시켰을 때 공진 주파수를 FDTD 방법으로 구하여 발생하는 광복사 압력을 계산하였다(Fig. 2 (a)). 또한, 얻어진 광복사 압력을 공진기 구조에 작용시켰을 때의 변위량을 유한요소법으로 계산했다. 또한, FDTD법으로 변위 전과 변위 후 구조의 방향성 결합기로서의 성능 평가를 실시하여, 앞서 설명한 결과와 비교하여 190 mW의 제어광 입력에서 17.8 dB 이상의 큰 소광비 광로 변환이 가능하다는 것을 보여주었다(Fig. 2 (b)).