광도파로의 원리

광도파로(Waveguide)란
한마디로 단순 무식하게 이야기하자면 빛이 지나가는 길이다. 전자 IC칩(Electrical Integrated Circuit) 내의 전기가 흐르는 선에 대응될 수 있다. 그래서 광도파로를 사용한 광소자를 Optical Integrated Circuit(줄여서 OIC)이라고 부르기도 한다.

전자회로와 비교해서 생각해 보자. 대부분의 전자회로는 어떤 전기 신호를 입력 받아서 다른 형태의 전기 신호로 변환해주는 일을 한다. 예를 들면 작은 신호를 받아서 큰 신호로 증폭을 하거나 높은 주파수 성분을 걸러내는 필터 역할을 하거나 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어 주거나 하는 일을 한다. 광소자 역시 신호를 입력 받아 다른 형태의 신호로 바꾸는 일을 한다. 단지 신호의 형태가 전기가 아니라 빛이라는 점만 다를 뿐이다. 전자회로에서는 저항, 캐패시터, 코일, 다이오드, 트랜지스터 등의 전자 소자를 이용해 전기 신호에 변형을 가하고 광학회로에서는 각종 렌즈, 거울, 프리즘, 회절 격자 등의 광학 부품들을 이용해 광신호를 변형시킨다. 전자회로는 전기신호가 지나다닐 수 있는 길이 필요하다. 즉, 케이블이나 PCB기판 위에 거미줄같이 뻗은 선이 필요하다. 광학회로에서는 굳이 빛이 지나다닐 길이 필요하진 않다. 빛은 빈 공간(free space)을 통해 전달될 수 있기 때문이다. 하지만 이것이 꼭 좋은 것만은 아닐 수 있다. 누군가 빛이 지나가는 공간에 스크린을 집어 넣을 수도 있는 일 아닌가. 전기는 도선을 따라 흐르기 때문에 꾸불꾸불하게 놓인 전선을 따라 벽 뒤로 신호가 전달 될 수가 있다. 하지만 빛은 직진을 하기 때문에 벽 뒤로 광신호를 보내려면 거울을 몇개씩 놓아서 빛의 진행 방향을 바꾸어 주어야만 할 것이다. 그리고 거울을 정확하게 놓지 않으면 빛이 엉뚱한 곳으로 가버릴 수도 있다. 상당히 번거로운 일이다. 또한 거울과 같은 광학부품들은 그 크기가 수 cm에 달해 소형화가 상당히 힘들다. 전자회로에 쓰이는 소자들의 크기가 마이크로미터(1/100,000m) 단위인 것을 생각하면 광학소자는 엄청난 거구인 것이다.

전기 신호가 도선을 따라 전달되듯이 빛도 광도파로라는 선을 따라 전달되도록 하여 이러한 단점들을 해결할 수 있는 것이다. 또한 보통 광도파로의 크기는 수 마이크로미터에 불과하기 때문에 전자IC처럼 소형화가 가능하다.

그런데 한가지 의문이 생길 것이다 지금의 전자회로도 훌륭한데 왜 굳이 광학회로를 사용하려고 하는 것일까? 무엇보다도 빛은 전기보다 더 많은 양의 정보를 멀리 보낼 수 있는 능력이 있기 때문이다. 많은 양의 정보를 보내려면 굉장히 높은 주파수의 신호를 보내야만 한다. 높은 주파수의 신호일 수록 멀리 보내기가 힘들어진다. 구리선의 한계인 것이다. 하지만 free space로 전달되는 빛은 구리선에 비하면 거의 한계가 없을 정도의 먼거리로 신호를 보낼 수 있다. 수십억 광년 떨어진 은하에서 오는 빛을 볼 수 있다는 것을 생각해 보라.

 

광도파로의 원리
직진하기만 하는 빛을 어떻게 꾸불꾸불한 선을 통해 전달할 수 있을까? 해답은 의외로 간단하다. 빛은 직진하지만 거울을 이용하면 방향을 바꿀 수 있다. 옆 그림과 같이 거울을 늘어놓아보자. 빨간색 선이 실제 빛이 지나간 궤적이다. 가까이서 보면 빛은 직진해서 나아갔지만 멀리서 보면 마치 빛이 파란색 점선을 따라 희어져 간 효과를 보인다. 만일 거울을 무한하게 많이 서로 마주 보도록 늘어놓는다면 빛은 거울 밖으로 나가지 못하고 거울 안쪽을 따라서만 진행하게 될 것이다.

그런데 현실적으로 이렇게 무한히 많은 거울을 늘어놓을 수가 없지만 이와 같은 효과를 내게할 수 있는 방법이 있다. 빛은 진직하다가 다른 성질의 매질을 만나면 그 경계면에서 일부는 반대 방향으로 반사되고 일부는 굴절되어 매질 속으로 계속 진행하게 된다. 그런데 경계면에 어떤 각도(임계각) 이상으로 입사되면 반사만 일어나고 매질 속으로 진행하지 못한다. 마치 거울에 반사된 것과 같은 효과를 나타낸다. 이것을 전반사(total reflection)라고 한다. 전반사가 일어나려면 경계면 매질의 굴절율이 빛이 진행되어 오는 매질의 굴절율 보다 작아야 한다.

옆 그림과 같이 굴절율이 큰 매질 주변을 작은 굴절율을 가진 매질이 감싸고 있다고 생각해보자. 굴절율이 큰 매질 내부로 빛이 진행할 때 임계각보다 큰 각도로 경계면에 부딪히면 전반사가 일어난다. 빛이 굴절율이 큰 매질 밖으로 빠져나가지 못하고 계속 그 안을 따라서 진행하게 될 것이다. 이것이 바로 광도파로인 것이다. 굴절율이 큰 부분을 core, 작은 부분을 cladding이라고 부른다. 광도파로를 통해 빛이 진행하는 것을 도파(guiding)라고 한다.

 

모드
아무런 빛이나 다 광도파로를 따라 도파되는 것이 아니다. 맨 위의 그림에서 임계각보다 작은 각도로 경계면에 입사되는 빛(빨간 선)은 경계면에서 클래딩 쪽으로 계속 빠져나가 결국은 사라지게 된다.

또한 임계각보다 큰 각도로 경계면에 입사되는 빛이라고 해도 모두가 다 도파될 수 있는 것이 아니다. 간섭 때문에 특정한 각도로 입사되는 빛만이 진행할 수 있다. 이처럼 도파 조건이 맞아 광도파로를 진행하는 빛들을 모드(mode)라고 한다. 도파 가능한 모드들 가운데 경계면에 입사되는 각이 클 수록 작은 차수의 모드가 되고 (아래 그림의 빨간 선) 입사각이 작을 수록 높은 차수의 모드가 된다.

도파 가능한 모드의 수는 광도파로의 코어와 클래딩의 굴절율 차와 코어의 크기, 빛의 파장에 의해 결정된다. 보통 코어와 클래딩 굴절율 차가 클수록, 코어가 클 수록, 파장이 짧을 수록 도파 모드의 수가 많아진다. 단 하나의 모드만 도파시킬 수 있는 광도파로를 단일 모드 광도파로(single mode waveguide)라고 하고 여러 개의 모드를 도파시킬 수 있는 광도파로를 다중 모드 광도파로(multi mode waveguide)라고 한다. 단일 모드 광도파로의 경우 코어의 크기는 수 mm에 불과하다.

 

광도파로의 예
광도파로는 그 형태에 따라 여러가지로 나뉠 수 있는데 가장 간단한 형태가 위 그림의 1차원 평면 광도파로(slab waveguide)이다. 단순하게 클래딩 기판 위에 코어가 올라간 형태인데 기판의 깊이 방향으로만 굴절율 변화가 있기 때문에 1차원 광도파로이다. 위의 예에서는 코어 위에 클래딩이 없는데 공기가 클래딩 역할을 하는 것이다. 코어 위에 아랫면 클래딩과 같거나 다른 물질의 클래딩을 씌울 수 있다.

옆 그림은 채널(channel) 형태의 2차원 광도파로이다. 굴절율 변화가 깊이 방향 뿐만 아니라 폭 방향으로도 있다. 대두분의 광도파로 소자들은 평면 광도파로보다 채널 광도파로 형태이다.

아래 그림은 3차원 광도파로의 한 예이다. 기판의 깊이, 폭 방향으로 굴절율 변화가 있을 뿐만 아니라 빛이 지나가는 방향으로도 굴절율 변화가 있다. 아래에 보인 예는 branching 광도파로라고 하는 것인데 입력된 광신호를 두개로 복제해 내는 일을 한다. 여기에 제시한 그림들은 이해를 돕기 위해 과장된 그림임에 주의하기 바란다. 보통 코어의 폭은 수 mm 밖에 되지 않지만 광도파로 전체 길이는 수 mm에서 수 cm에 달한다. 그리고 Y형태의 분기 부분의 각도는 1도 정도 밖에 되지 않는다. 따라서 실제 광도파로의 모습은 매우 얇은 긴 선 모양으로 되어 있다.

빛이 입력 되는 부분의 크기가 수 mm밖에 되지 않기 때문에 렌즈를 이용해서 빛을 모아 입력단에 때려넣게 된다. 입력된 빛은 더 이상 퍼지지 않고 코어만을 따라 진행하게 된다. Y 분기점을 만나면 1:1의 비로 나뉘어 출력단까지 계속 진행하게 된다.

 

 

Ti:LiNbO₃ 광도파로 제작 방법
광도파로를 만들기 위해 적당한 클래딩 물질 위에 빛이 지나가는 곳의 굴절율만 높여주면 된다. 개념은 간단하지만 코어/클래딩 물질로 무엇을 쓰느냐, 광도파로의 단면을 어떤 모양으로 만드느냐에 따라 광도파로의 제작 방법은 천차만별이 된다. 그러나 기본 개념은 모두 같고 제작 기법 상의 공통된 점이 많으므로 특정한 예를 통해 다른 제작 방법도 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

리튬탄탈레이트(LiNbO₃)는 전기광학계수(electro-optic coefficient)가 커서 예전부터 널리 쓰여온 물질이다. 물질에 높은 전압을 걸어주면 굴절율이 변하게 되는데 전기광학계수가 클 수록 같은 전압을 걸었을 때 굴절율의 변화가 크다. 리튬탄탈레이트에 타이타늄(Ti)이라는 금속이 들어가게 되면 굴절율이 커진다는 점을 이용해 리튬탄탈레이트 광도파로를 만들 수 있다. 타이타늄 박막(thin film)을 리튬탄탈레이트 기판 위해 입히고 약 천도의 열을 가하면 타이타늄이 리튬탄탈레이트 기판 속으로 확산되어 들어간다. 좀 더 자세하게 제작 순서를 알아보자.

1. 포토레지스트 코팅 : 리튬탄탈레이트 기판 위에 원하는 광도파로의 형태대로 타이타늄 박막을 입히기 위해 photolithography라는 기법을 이용힌다. 포토리소그래피 기법도 여러가지가 있는데 그 중에서 lift-off라는 기법을 소개하겠다.

먼저 리튬탄탈레이트 기판 위에 포토레지스트라는 걸죽한 액상의 고분자 화합물을 몇 방울 떨어뜨리고 기판을 고속으로 회전시키면 포토레지스트가 기판 위에 퍼지면서 약 1mm 의 두께로 코팅이 된다(spin coating.) 그리고 약 100~150도 정도의 오븐에 두면 포토레지스트가 약간 굳어진다(baking).

2. UV exposure : 이 위에 광도파로 모양으로 미리 제작된 photomask를 올려 놓고 자외선을 쪼인다. 포토레지스트는 자외선을 받으면 분자구조가 바뀌면서 특정한 유기용액에 잘 녹게된다. 그런데 포토마스크가 광도파로의 코어가 될 부분만 남기고 모두 가리고 있기 때문에 코어 부분만이 자외선을 받게 된다.(UV exposure)

3. Developing : 이것을 디벨로퍼 용액에 담그면 자외선을 받은 부분만 녹아 그림과 같이 광도파로 코어가 될 부분이 드러나게 된다.(developing)

4. Deposition : 이 위에 타이타늄 박막을 입힌다. 박막을 입히는 방법으로는 Thermal evaporation, Electron beam bombardment, Sputtering 등이 있다. 이 세가지 방법 모두 박믹을 입히고자 하는 물질을 기화시켜 원하는 기판 위에 그 물질이 달라붙도록 만든다. 물질을 기화시키는 방법이 서로 다를 뿐이다. 기화된 물질이 기판에 잘 날아가 달라붙을 수 있도록 보통 진공 속에서 기화시킨다. thermal evaporation 방법은 텅스텐 필라멘트와 같은 발열체에 높은 전류를 흘려 열을 발생시키고 그 위에 금속 조각을 올려놓아 금속이 녹아 기화되도록 만든다. electron beam 방법은 고속의 전자들을 내뿜는 전자총(electron gun)을 이용한 것으로 고속의 전자들이 금속 덩어리에 맞으면 그 부분만 국부적으로 가열되어 금속이 기화된다. sputtering 은 방전에 의해 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체가 플라즈마가 되어 고속의 이온들이 박막이 될 물질 위를 때리면 입자들이 떨어져 나와 기판 위에 달라 붙도록 한다. 플라즈마란 이온화 된 기체를 말한다. 고체에 열을 가하면 액체, 기체가 되는데 그 보다 더 많은 에너지가 가해지면 기체 원자에서 전자가 떨어져 나와 이온 상태가 된다. 이 상태를 플라즈마라고 한다.

타이타늄은 녹는 점이 높기 때문에 electron beam 방법이나 sputtering 방법으로 박막을 입힌다. 보통 박막의 두께는 수십 나노미터(1nm=1/1000mm) 밖에 되지 않는다.

5. Lift-off : deposition이 끝난 뒤 아세톤 용액에 담그면 남아있던 포토레지스트가 녹아 기판 위에서 떨어져 나온다. 이때 포토레지스트 위에 올라간 타이타늄도 같이 떨어져 나오게 된다. 따라서 포토레지스트가 없는 부분만 타이나튬이 남게된다.

6. In-diffusion : 광도파로 형태의 타이타늄 박막이 입혀진 기판을 약 천도씨의 고온로(furnace)에 수 시간 동안 넣어 놓는다. 이때 리튬탄탈레이트 기판 위에서 리튬이 빠져나가지 않도록 Ar가스나 수증기를 흘리기도 한다. 이렇게 고온 상태에 두면 타이타늄이 기판 속으로 확산되어 들어가게 되고 타이타늄이 들어간 곳은 굴절율이 더 커지게 된다.

7. Polishing : 마지막으로 광도파로의 입력단과 출력단으로 빛이 잘 들어가고 나올 수 있도록 단면을 유리면으로 가공을 한다. 평평한 판 위에서 미세한 알루미나 분말 가루와 함께 연마를 하면 거칠은 단면이 유리면처럼 빤질 빤질하게 된다. 폴리싱이 끝나면 이제 광도파로가 완성된 것이다.

광도파로의 종류와 여러가지 제작 기법
광도파로는 클래딩/코어 물질에 따라 여러가지로 구분할 수 있으며 그에 따른 제작 방법도 달라진다.

	박막 제작기법	특징
고분자 화합물(polymer)	spin coating diping polymerization	제작이 용이하고 대량생산에 적합 loss가 크고 신뢰성이 약하다 최근에 loss가 작고 신뢰성이 높은 폴리머들이 소개되면서 연구가 활발 열광학 계수(thermooptic coefficient)가 높다.
유리(glass)	sputtering CVD FHD ion exchange ion implantation	loss가 매우 작아 널리 쓰이고 있다. 제작 난이도가 높아 제작 단가가 높은 편
리튬나오베이트(LiNbO3)/ 리튬탄탈레이트(LiTaO3)	thermal diffusion ion exchange epitaxial growth	전기광학계수가 높아 functional 광도파로로 널리 쓰인다. 복굴절 물질이라 편광에 대단히 민감하다.
III-V족 화합물 반도체	epitaxial growth	레이저 다이오드와 같은 물질. 대량 생산이 용이.

1. polymer : 우리가 주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 폴리머는 플라스틱이다. 폴리머는 합성 재료와 방법에 따라 거의 무한정의 물질을 만들어낼 수가 있다. 그리고 다른 광도파로에 비해 제작 방법이 용이하고 값이 싸서 차세대 광도파로 매질로 각광 받고 있는 물질이다. 대부분의 폴리머는 열광학계수가 높은데 열광학 계수란 열을 가했을 때 굴절율이 변하는 정도를 나타낸다. 굴절율이 바뀌면 빛이 도파되는 특성이 바뀌게 되므로 열을 이용해 빛이 광도파로를 도파하는 특성을 변형할 수 있는 것이다. 이와 같이 외부 환경을 바꾸어서 도파 특성을 변형할 수 있는 광도파로를 기능성 광도파로(functional waveguide)라고 한다. 이와 반대로 항상 일정한 형태로만 도파되는 광도파로를 능동형 광도파로(passive waveguide)라고 한다. 폴리머 중에는 편광에 무관한 것이 있는가 하면 편광에 민감한 것도 있고 리튬나오베이트처럼 전기광학 계수가 큰 것도 있다.

보통 폴리머 재질은 상온에서 액상, 엄밀하게는 끈끈한 젤(gel) 형태로 있다. 이것을 포토레지스트 코팅을 하듯이 앞서 소개한 스핀 코팅 방법으로 실리콘(Si)이나 유리 기판 위에 코팅을 한다. (사실 포토레지스트도 광도파로 재질로 쓰일 수 있다.) 폴리머에 자외선을 쪼이거나 열을 가하면 경화가 되면서 광도파로로 쓸 수 있는 클래딩 박막이 형성이 된다. 이 위에 굴절율이 다른 폴리머를 스핀 코팅 하여 경화시키면 코어가 형성되는 것이다. 채널 광도파로를 형성하기 위해 포토리소그래피 기법으로 코어 박막 위에 패턴을 만들고 에칭(etching)을 한다. 그리고 그 위에 같은 방법으로 클래딩을 형성할 수 있다.

빛이 매질을 투과할 때는 감쇄(loss)가 일어나기 마련이다. 수 cm 길이의 광도파로인 경우 감쇄는 아주 중요한 요소가 된다. 불행하게도 폴리머는 다른 물질에 비해 감쇄가 크다. 그리고 고온에 약해 열악한 환경에서 오래 버티지 못할 수도 있다는 단점이 있다. 그러나 폴리머는 합성하기에 따라 여러가지 특성의 다른 물질로 만들 수 있기 때문에 계속 연구를 하다보면 광도파로에 적합한 물질을 개발해 낼 가능성이 충분히 있다.

2. glass : 감쇄가 적고 쉽게 구할 수 있으며 편광에 크게 민감하지 않다는 점 때문에 오래 전부터 광도파로 소재로 널리 쓰여왔다.

플라즈마 증착 장비를 이용한 sputtering 기법으로 유리판 위에 다른 형태의 유리 박막을 올려 광도파로를 만들 수 있다. 또 가스의 화학적 반응을 이용해 박막을 형성하는 CVD(Chemical Vapor Deposition)로 유리 박막을 올리기도 한다. 유리 기판을 뜨거운 산이나 Na+ 이온이 들어 있는 용액에 담그어 이 이온들이 기판 표면의 이온들과 교환되도록 하는 방법도 있다. 이와 같이 이온들이 교환되면 기판의 굴절율이 커져 코어를 형성하게 되는데 이런 기법을 이온교환(ion exchange) 방법이라 한다. 이온을 고속으로 가속시켜 기판에 때림으로 해서 이온들이 기판 속에 파고들게 하는 ion implantation 으로 코어를 형성하기도 한다. 또, 기판 위에 유리 분말을 뿌리고 불꽃을 가해 유리 박막을 형성하는 FHD(불꽃 가수 분해, Flame Hydrolysis Deposition)방법도 있다.

3. 리튬나오베이트/리튬탄탈레이트 : 이들은 전기광학계수가 높아 기능성 광도파로의 재료로 많이 사용된다. 광도파로를 형성하기 위해 금속 박막을 입히고 고온의 전기로에서 금속을 확산시키는 thermal diffusion방식과 뜨거운 산에 담그어 수소 이온과 Li이온을 교환시키는 이온교환 방법이 널리 쓰인다.

리튬나오베이트의 가장 큰 특징이자 단점은 복굴절 물질이라는 것이다. 광통신에서 쓰이는 소자들은 되도록이면 편광에 무관해야 되는데 리튬나오베이트는 편광 상태에 따라 소자 특성이 달라지기 때문에 광통신 소자로 쓰이기에 무리가 있다.

4. 화합물 반도체 : 광도파로를 통해 도파되는 빛은 아무 빛이나 다 되는 것이 아니다. 되도록이면 단일 파장의 빛이어야 한다. 그리고 광도파로 물질 내에서 빛의 감쇄는 파장에 따라 다르게 되는데 되도록이면 감쇄가 작은 파장의 빛을 사용해야 한다. 그런데 형광등이나 백열전구에서 나오는 빛은 굉장히 많은 파장의 빛이 섞여 있으며 그 크기도 다른 전자IC에 비하면 대단히 크다. 단일 파장을 내는 광원으로 가장 좋은 것은 레이저이다. 레이저에도 여러가지 종류가 있는데 그중 광소자용으로 가장 적합한 레이저가 반도체 레이저 다이오드이다. 반도체 레이저 다이오드는 단일 파장의 빛을 만들 뿐 아니라 그 크기가 수백 mm 밖에 되지 않아 소형화가 가능하고 전기 신호를 쉽게 광신호로 변환할 수도 있다. 레이저 다이오드는 보통 III-V족 화합물 반도체(GaAs, AlGaAs, InGaAs)들로 만드는데 이 물질들을 이용해 광도파로도 만들 수 있다.

기판과 아주 비슷한 물질을 액체 또는 기체 상태로 만들어서 기판과 접촉을 시키면 기판 위에 결정화된 박막이 자라게 된다. 이와 같은 방법으로 박막을 형성하는 것을 epitaxial growth라고 한다. 액상으로부터 박막을 기르는 것을 liquid phase epitaxy (LPE)라고 하고 기체 상태에서 만드는 것을 vapor phase epitaxy (VPE)라고 한다.

화합물 반도체 광도파로는 제작 기법과 물질이 레이저 다이오드와 동일하기 때문에 광원과 광도파로 소자를 하나의 기판 위에 모두 형성 가능하다는 장점을 가지고 있다.

5. 기타 박막 형성 기법 : 이 외에 박막 형성 기법으로 molecular beam epitaxy(MBE), laser ablation deposition 기법이 있다.

초진공(10-6 Torr, 대기압은 760Torr임)에서 박막을 형성하고자 하는 물질에 열을 가하면 기체 상태의 분자가 뿜어져 나오는데 이 분자들이 날아가 데워진 기판 위에 닿으면서 결정막을 형성하게 된다. 이것이 MBE의 기본 원리인데 대단히 정교하게 박막을 형성할 수 있다.

laser ablation deposition 기법은 높은 에너지를 가진 레이저 펄스를 물질에 때리면 순간적으로 물질이 녹아 떨어져 나오면서 기판에 달라붙게 하여 박막을 형성하는 방법이다.

형태에 따른 광도파로 종류
불순물을 집어 넣어 코어 부분 물질의 굴절율을 높이는 방법 외에 코어 주변에 다른 물질을 코팅하여 실제 물질의 굴절율은 변하지 않았지만 마치 굴절율이 높아진 것과 같은 효과를 줄 수도 있다. 코어가 느끼는 굴절율(effective index)을 높이는 방법에 따라 광도파로를 몇가지 형태로 구분할 수 있다. 그림에서 하늘색 부분이 굴절율이 높은 부분이다.

Buried type	Ti indiffused LiNbO3, H+ exchanged LiNbO3/LiTaO3, K+ exchanged glass 광도파로 등이 이에 속한다.
Ridge type	굴절율이 높은 박막을 형성하고 에칭(etching) 기법을 이용해 코어가 될 부분만 남기고 주변을 깍아낸 형태이다. 언덕 때문에 코어 부분의 굴절율이 높은 것처럼 느낀다. 폴리머 광도파로, 화합물 반도체 광도파로, 레이저 다이오드 등이 ridge형 광도파로를 주로 쓴다.
Dielectric film loaded type	평면 광도파로 위에 굴절율이 낮은 유전체 박막 strip을 입혀서 코어가 될 부분의 굴절율이 주변보다 높은 것 처럼 느끼게 한다.
Metal-film loaded type	평면 광도파로 위에 코어가 될 부분만 제외한 나머지 부분에 금속 박막을 입혀 코어 부분의 effective 굴절율을 높게 하는 방법. 전기광학 효과를 이용한 광도파로에서 주로 쓴다.

 

 

광섬유(Optical fiber)
광섬유는 광도파로 소자와는 좀 거리가 있지만 그 원리가 광도파로와 같으므로 같은 부류로 칠 수 있다. 굉장히 긴 광도파로라고 생각하면 된다. 보통 광통신에서 사용되는 광섬유는 재질이 실리카라고 하는 유리의 일종이다. 실리카 광섬유는 1300nm와 1550nm에서 흡수가 가장 적기 때문에 1300nm 또는 1550nm 파장의 레이저 다이오드가 주로 사용되고 단거리용으로 850nm 레이저 다이오드가 쓰이기도 한다. 다중 모드 광섬유는 코어의 지름이 50mm 또는 62.5mm이고 단일 모드 광섬유는 코어의 지름이 9mm이다. 클래딩의 지름은 125mm인 것이 일반적이다. 단거리 저속 통신용으로 플라스틱 재질의 POF(Plastic Optical Fiber)가 쓰이기도 한다. POF는 코어의 지름이 1mm에서 250mm로 실리카 광섬유의 코어보다 크기 때문에 쉽게 레이저 다이오드의 빛을 광섬유 안으로 집어넣을 수 있다는 장점이 있다.

 

AWG(Arrayed Waveguide Grating)
프리즘에 햇볕을 넣으면 7색갈 무지개가 나온다. 원래 햇볕에는 여러 파장의 빛이 들어있는데 물질은 파장에 따라 굴절율이 달르기 때문에 굴절각이 달라지고 따라서 각 파장 별로 빛이 나뉘어서 나오게 되는 것이다. 프리즘과 비슷한 성질을 가진 광학 부품 가운데 회절 격자(diffraction grating)이라는 것이 있는데 일정한 주기로 홈이 파여진 거울이라고 보면 된다. 빛의 회절 현상 때문에 회절 격자에 빛을 쪼이면 파장에 따라 반사각이 달라지게 된다. 광도파로에서도 회절 격자와 같은 구실을 하는 소자를 만들 수가 있는데 그것이 바로 arrayed waveguide grating이다. 그림에서 두개의 노란 원형 사이에 초록색 선 다발이 바로 AWG이다. 한쪽 노란 구면에서 다른 쪽 노란 구면까지의 거리가 서로 다른 광도파로들이 여러개 늘어서 있는 구조이다. 빛들이 광도파로를 통해 한쪽 노란 구면에서 다른 쪽 노란 구면까지 갈 때 서로 다른 경로차(path difference)를 격기 때문에 간섭에 의해 어떤 특정한 위치에만 빛이 닿게 된다. 그 위치는 입사된 빛의 파장에 따라 달라지게 된다. 따라서 출구 쪽에 여러 위치에다가 광도파로를 놓게 되면 파장 별로 서로 다른 광도파로를 통해 빠져 나오게 된다. 따라서 입구에 여러 파장의 빛을 넣으면 마치 프리즘을 통해 빛이 나뉘어 나오듯이 서로 다른 파장의 빛들이 다른 광도파로를 통해 나뉘어 나오게 된다. 반대로 출구 쪽으로 여러 파장의 빛을 서로 다른 광도파로에 넣으면 하나의 광도파로에 모여져서 나오게된다.

이와 같은 소자를 wavelength multi/demultiflexer라고 하는데 WDM (wavelength division multiflexing) 이라는 광통신 기법에서 필수적으로 필요한 소자이다. 파장이 서로 다른 빛은 서로 영향을 주지 않기 때문에 한 광섬유에 여러 파장의 빛으로 서로 다른 신호를 전달할 수 있다. 따라서 N개의 서로 다른 파장을 가진 광신호를 하나의 광섬유를 통해 전달하면 마치 N개의 광섬유를 통해 신호를 전달하는 것과 같은 효과를 낼 수 있다. 광섬유를 새로 더 깔지 않고도 더 많은 정보를 보낼 수 있기 때문에 널리 쓰이고 있는 기법이다.

 

Splitter
스프릿터는 입력된 광신호를 여러개로 나누어 분배해주는 소자이다. 그림은 1x4 스프릿터로이다. Y형태의 분기(branch)에서 광신호가 1:1 비율로 나뉘어져 진행하게 된다.

 

Switch & Attenuator
옆 그림은 열광학 효과(thermooptic effect)를 이용한 attenuator이다. attenuator는 출구로 나오는 빛의 양을 줄여주는 소자이다. 폴리머나 유리에 열을 가하면 보통 굴절율이 작아지게 된다. 이런 현상을 열광학 효과라고 하는데 그림과 같이 1x2 스피릿터 위에 전극을 달고 전류를 흘려주면 전극이 열을 내어 한쪽 광도파로 팔 부분의 굴절율이 작아지고 굴절율이 작아진 쪽으로는 빛이 잘 전달되지 않는다. 이런 원리를 이용하여 출구로 나오는 빛의 양을 줄일 수가 있는 것이다. 전극에 걸어주는 전압에 따라 줄어드는 양을 조절할 수가 있다. 만일 양쪽 분기 모두에 전류를 흐릴 수 있다면 어느 쪽에 전류를 걸어주느냐에 따라 빛이 나오는 방향을 결정할 수가 있다. 이와 같이 빛이 나오는 방향을 바꾸어 주는 소자를 스위치(switch)라고 한다.

 

Modulator
modulator는 전기 신호를 받아 광신호를 변조해주는 소자이다. 옆 그림은 Mach-Zender 간섭계형 modulator이다. 두 분기 점 사이의 거리가 똑같기 때문에 전압이 걸리지 않은 상태에서는 처음의 Y분기에서 빛이 나뉘었다가 다음 Y분기에서 다시 모여 출력단을 통해 나오게 된다. 그런데 한쪽 분기에 전압을 걸어주게 되면 전기광학 효과 때문에 광도파로의 굴절율이 바뀌게 된다. 그래서 빛이 모이는 분기점에서 두 빛의 위상이 서로 반대가 되면 소멸 간섭을 일으켜 빛이 출구를 통해 나오지 못하게 된다 (첫 분기점을 지난 두 빛이 위상차를 겪으면서 뒷쪽 분기점에서 새로 만들어진 빛은 높은 차수의 모드가 되는데 광도파로가 0차수의 빛만 도파시킨다면 새로 만들어진 높은 차수의 모드는 급격하게 감쇄되어 사라진다는 해석이 더 정확한 해석이다.) 이런 원리를 이용해 전기 신호를 광신호로 변환할 수 있는 것이다. 전기광학 계수가 큰 리튬나오베이트를 주로 이용한다.

이 외에도 여러가지 광도파로의 응용 예가 있으며 지금도 어디에선가 새로운 형태의 광도파로가 만들어지고 있다.

 

출처 : http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=easyan&logNo=20035248218