KR20090117723A - 빔 분할기 및 선편광 모드 위상 변조기를 포함하는 위상 변조기 시스템 및 이러한 위상 변조기 쪽으로 이동하여 그로부터 역으로 반사되는 광 빔을 분리하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 빔 분할기, 및 하나 이상의 특정 편광 상태의 선편광된 광을 상기 편광 상태를 유지하면서 변조하기에 적당한 반사 모드 위상 변조기 (8)을 포함하는 위상 변조기 시스템 (20)이다. 빔 분할기 및 위상 변조기 (8)이 광 빔 (1,3,5,7,9,10,11,12)의 광행로를 따라서 배열된다. 빔 분할기는 편광 빔 분할기 (2)이고, 위상 변조기 시스템 (20)은 편광 빔 분할기 (2)와 위상 변조기 (8) 사이에 광행로를 따라서 배열되어 광 빔 (5,9)의 편광 상태를 주어진 센스로 45°회전시키는 광회전자 (6)을 더 포함하고, 여기서 위상 변조기 (8)에 입사하는 광 빔 (7)의 편광 상태는 특정 편광 상태에 상응한다. 추가로, 본 발명은 하나 이상의 특정 선편광 상태의 선편광된 광을 상기 특정 선편광 상태를 유지하면서 변조하기에 적당하며 반사 모드로 작동가능한 위상 변조기를 포함하는 위상 변조기 시스템에서 위상 변조된 광 빔으로부터 입력 광 빔을 분리하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 a) 입력 광 빔이 편광 빔 분할기를 통과하게 함으로써 제 1 편광 상태를 갖는 광 빔을 제공하는 단계, (b) 상기 광 빔의 상기 제 1 편광 상태를 광회전자에 의해 제 1 센스로 45°회전시키는 단계, (c) 위상 변조기에 입사하는 광 빔의 편광 상태가 상기 특정 편광 상태에 상응하는 상기 광 빔을 위상 변조기에 의해 반사시켜 위상 변조된 반사된 광 빔을 얻는 단계, (d) 반사된 광 빔의 편광 상태를 광회전자에 의해 상기 제 1 센스로 45°회전시켜서 상기 제 1 편광 상태에 대해 직교인 편광 상태를 갖는 광 빔을 얻는 단계, 및 e) 광 빔이 상기 편광 빔 분할기를 통과 하게 함으로써 상기 제 2 편광 상태를 갖는 상기 광 빔을 입력 광 빔으로부터 분리하는 단계를 포함한다.

위상 변조기 시스템, 광 빔 분할기, 광회전자, 선편광

Description

빔 분할기 및 선편광 모드 위상 변조기를 포함하는 위상 변조기 시스템 및 이러한 위상 변조기 쪽으로 이동하여 그로부터 역으로 반사되는 광 빔을 분리하는 방법{PHASE MODULATOR SYSTEM COMPRISING A BEAM SPLITTER AND A LINEAR POLARISATION MODE PHASE MODULATOR AND METHOD FOR SEPARATING A LIGHT BEAM TRAVELLING TOWARD AND REFLECTED BACK FROM SUCH A PHASE MODULATOR}

본 발명은 선편광된 광을 그의 편광 상태를 변하지 않게 하면서 변조하기에 적당한 반사 모드 위상 변조기를 포함하는 위상 변조기 시스템의 출력 손실을 감소시키는 광학 배열에 관한 것이다. 추가로, 본 발명은 이러한 위상 변조기 쪽으로 이동하여 그로부터 역으로 반사되는 광 빔을 분리하는 방법에 관한 것이다.

공지된 위상 변조기 시스템은 투과 모드 위상 변조기(입사하는 광을 투과함) 및 반사 모드 위상 변조기(입사하는 광을 반사함)를 포함하는 다양한 종류의 위상 변조기를 혼입할 수 있다. 본 발명은 반사 모드 위상 변조기의 응용에 초점을 맞춘다. 일부 응용은 특정 편광을 갖는 입사하는 광 빔을 이 특정 편광을 유지하면서 반사 또는 투과하는 특수 위상 변조기를 필요로 한다. 이 특정 편광은 선편광 또는 원편광일 수 있다. 이에 따라서, 2 종류의 위상 변조기는 선편광 모드 위상 변조기(LPM 위상 변조기) 및 원편광 모드 위상 변조기(CPM 위상 변조기)라고 부를 것이다. 이러한 위상 변조기는 상업적으로 입수가능하고, 다양한 응용에서 흔히 이용된다.

값이 덜 비싼 LPM 및 CPM 위상 변조기 구조는 일반적으로 입사하는 광 빔이 위상 변조기 표면에 수직인 것을 필요로 하고, 따라서, 반사 모드 위상 변조기의 경우, 입사하는 광 빔이 동일 광행로를 따라서 역으로 반사된다. 대부분의 응용에서는, 위상 변조된 광 빔만 나중 사용을 위해 커플링되어야 하기 때문에, 반사된 위상 변조된 광 빔을 입사하는 광 빔으로부터 분리하는 것이 필요하다.

통상의 위상 천이기 배열에서, 입사하는 광 빔과 반사된 변조된 광 빔의 분리는 일반적으로 중성 빔 분할기를 이용함으로써 달성된다. 이러한 배열은 예를 들어 재섹 칵퍼스키(Jacek Kacperski) 등의 문헌[Optics Express 9664, Vol. 14, No. 21]에 기술되어 있고, 이 문헌에서는 LCos(실리콘 상층 액정) 디스플레이가 LPM 위상 변조기로 사용된다. 입력 광 빔은 반파장판인 편광 조절기를 통과하여 요구되는 선편광 상태를 얻은 후, 중성 빔 분할기를 통과하여 빔의 1/2만 LCoS 디스플레이 상으로 나아간다. 반사된 변조된 빔은 다시 빔 분할기를 통과하며, 이것은 원래 빔의 1/4만 시스템으로부터 커플링될 수 있다는 것을 의미하고, 이러한 높은 출력 손실이 통상의 LPM 변조기 시스템의 단점이다.

미국 특허 5,539,567은 CPM 위상 변조기에 원편광된 광을 비출 때 입사하는 광 빔을 반사하는 광 빔으로부터 분리하는 문제를 해결하기 위한 위상 변조기 시스템을 게재한다. 원편광된 빛을 생성하기 위해, 입력 광 빔을 편광된 빔 분할기(PBS)로 나아가게 하고, 이로부터 광 빔의 p-편광된 성분이 내부 반사되어 PBS를 나가서 선편광된 광을 원편광된 광으로 전환하기 위해 제공된 사분파장판 쪽을 향하여 간다. CPM 위상 변조기는 원편광된 광 빔을 그의 원편광이 변하지 않게 하면서 역으로 반사한다. 광 빔이 사분파장판을 통과할 때, 그의 편광이 선편광으로 다시 전환되지만, 빔이 사분파장판을 두 번 통과했기 때문에, 이제 그의 편광은 90°회전되고, 따라서 PBS를 통과할 수 있다. 따라서, 위상 변조된 출력 광 빔은 입력 광과 상이한 위치에서 상이한 각도로 위상 변조기 시스템을 나간다.

상기 배열은 사분파장판이 원편광된 광을 생성하여 빔을 LPM 위상 변조기에 부적합하게 만들기 때문에 LPM 위상 변조기와 함께 사용하기에는 적합하지 않다.

유사한 낮은 출력 손실을 갖는 광학 배열이 LPM 위상 변조기와 함께 사용하기에 바람직할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 반사 모드 LPM 위상 변조기를 포함하는 위상 변조기 시스템의 출력 손실을 감소시키기 위한 광학 배열을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은 LPM 위상 변조기로 이동하여 그로부터 역으로 반사되는 광 빔을 분리하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1에 따르는 위상 변조기 시스템 및 청구항 8에 따르는 방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명에 대한 더 상세한 내용은 첨부 도면 및 예시 실시태양으로부터 명백할 것이다.

도 1: 본 발명의 광학 위상 변조기 시스템의 예시 실시태양의 개략도.

도 2: 위상 변조기 시스템을 통과하는 동안의 상이한 단계에서의 광 빔의 편광 상태를 나타내는 예시 다이어그램 시리즈를 나타내는 도면.

도 1은 본 발명에 따르는 광학 위상 변조기 시스템 (20)의 예시 실시태양을 나타내는 개략도이다. 위상 변조기 시스템 (20)은 시스템 (20)을 가로지르는 광 빔 (1,3,5,7,9,10,11,12)의 광행로를 따라서 배열된 편광 빔 분할기(PBS) (2), 반파장판 (4), 광회전자 (6) 및 반사 모드 LPM 위상 변조기 (8)을 포함한다.

광행로는 응용에 의존해서 PBS (2)와 위상 변조기 (8) 사이의 어떠한 요망되는 선도 거쳐 나갈 수 있다. 거울, 광도파로 등에 의해 요구되는 광행로를 생성하는 것은 당업계에 잘 알려져 있고, 따라서, 더 상세히 논의하지 않는다.

본 발명의 맥락에서, 광회전자는 선편광된 광 빔의 편광 상태를 주어진 센스(sense)로 주어진 각도만큼 회전시키는 편광 회전자인 것으로 이해되고, 회전 센스는 광 전파 방향과 무관하다. 본 발명에 따르는 광회전자 (6)의 회전각은 45°이다. 광회전자 (6)은 예를 들어 적당히 선택된 두께를 갖는 어떠한 광학 활성 물질(키랄 물질)도 될 수 있거나, 또는 그것은 45°패러데이 회전자일 수 있다.

한편, 반파장판 (4)는 상이한 유형의 편광 회전자이다: 반파장판을 통해서 앞뒤로 통과하는 광 빔의 회전은 누적성이 아니고, 즉, 회전 센스는 광 전파 방향에 의존한다. 따라서, 이러한 판을 앞뒤로 가로지르는 선편광된 광의 전파 방향은 동일할 것이다.

LPM 위상 변조기 (8)은 예를 들어 VAN(수직 정렬 네마틱) 모드 액정일 수 있 고, 실용적인 실시 형태 중의 하나는 실리콘 상층 액정(LCos) 구조일 수 있다.

입력 광 빔 (1)은 PBS (2) 쪽으로 나아가고, 여기서 그것은 s-편광된 성분 (1a) 및 p-편광된 성분 (1b)로 나뉜다. s-편광된 성분 (1a)는 반사되어 시스템을 나가거나, 또는 별법으로, 그것은 나중 사용을 위해 커플링될 수 있고, 반면, p-편광된 성분 (1b)는 PBS (2)를 통과해서 광 빔 (3)으로서 나간다. 다른 한 바람직한 실시태양에서는, PBS (2)로 나아가기 전에 p-편광된 입력 광 빔 (1)이 생성되어 아무런 손실 없이 PBS (2)를 통과한다. 바람직한 한 실시태양에 따르면, 나가는 p-편광된 광 빔 (3)이 반파장판 (4)를 통과하게 한다. 반파장판 (4)는 PBS (2)와 위상 변조기 (8) 사이에 광행로를 따라서 어느 곳에라도 배열될 수 있고, 나가는 광 빔 (5)의 편광각을 위상 변조기 (8)에 맞춰 조정하는 기능을 한다. 순방향으로 반파장판 (4)를 통과할 때, p-편광된 광 빔 (3)의 선편광이 주어진 각도만큼 회전해서 위상 변조기 (8)의 요구되는 편광각과 부합한다.

광 빔 (5)는 편광을 45°회전시키는 광회전자 (6)으로 전파한다. 반파장판 (4) 및 45°광회전자 (6)을 통과한 결과, LPM 위상 변조기 (8)에 입사하는 광 빔 (7)의 편광은 위상 변조기 (8)의 특정 편광 상태에 상응하고, 이것은 입사하는 광 빔 (7)을 역으로 반사할 때 변하지 않고, 반면, 광 빔 (7)의 위상은 변조된다. 역방향으로 이동하는 반사된 위상 변조된 광 빔 (9)가 광회전자 (6)에 의해 다시 45°회전할 때, 나가는 광 빔 (10)의 편광은 광 빔 (5)의 편광에 대해 수직일 것이다. 게다가, 광 빔 (10)이 역방향으로 반파장판 (4)를 통과할 때, 그것은 순방향으로 통과할 때와 동일한 주어진 각도로 역으로 회전한다. 따라서, s-편광된 광 빔 (11)이 얻어지고, 이것이 PBS (2)에 다시 들어갈 때 PBS (2)로부터 반사되고, 따라서 시스템 (20)에 들어가는 입력 광 빔 (1)과 상이한 위치에서 상이한 각도로 출력 s-편광된 광 빔 (12)의 형태로 위상 변조기 시스템 (20)으로부터 커플링될 수 있다. 위상 변조기 시스템 (20)을 통과하는 광 빔 (1,3,5,7,9,10,11,12)의 편광 상태가 도 2의 다이어그램에 도시되어 있다. 화살표는 편광 방향을 가리키고(y 축은 수직 편광된 또는 p-편광된 상태에 상응함), 한편, 각 다이어그램 아래의 숫자는 관련 광 빔의 참조 부호를 가리킨다. 따라서, 첫 번째 다이어그램은 바람직한 한 실시태양에 따르는 p-편광된(수직 편광된) 광 빔인 입력 광 빔 (1)의 편광 상태를 나타낸다. PBS (2)를 나가는 광 빔 (3)은 두 번째 다이어그램으로부터 볼 수 있는 바와 같이 입력 광 빔 (1)과 동일한 편광을 갖는다. 세 번째 다이어그램은 광 빔 (5)의 편광이 반파장판에 의해 광 빔 (3)의 편광 상태에 대해 주어진 각도 α만큼 회전했음을 나타낸다. 요구되는 각도 α는 반파장판의 배향을 변화시켜서 z 축 둘레로 그것을 회전시킴으로써 쉽게 설정할 수 있다. 광 빔 (7)의 편광은 광회전자 (6)에 의해 광 빔 (5)에 대해 시계 방향 센스로 45°회전하고, 따라서, 광 빔 (7)의 편광은 입력 광 빔 (1)의 원래의 p-편광으로부터 α+ 45°이다. 반파장판의 회전각 α는 p-편광된 빔의 총 회전의 결과로 변하지 않은 채로 역으로 반사되는 LPM 위상 변조기 (8)의 특정 편광 상태에 상응하는 편광 상태가 생성되도록 선택된다. 역방향으로 이동하는 위상 변조된 광 빔 (9,10,11,12)의 편광 상태는 다이어그램을 더 잘 이해할 수 있도록 하기 위해 점선 화살표로 도시한다. 다섯 번째 다이어그램으로부터 볼 수 있는 바와 같이, LPM 위상 변조기 (8)로부터 역으 로 반사되는 광 빔 (9)의 편광은 입사하는 광 빔 (7)의 편광에 대해 변하지 않고, 반면에, 그의 위상은 변조된다. 역방향으로 광회전자 (6)을 통과할 때, 광 빔 (10)의 편광은 동일한 시계 방향으로 또 45°회전하고, 이것은 광회전자 (6)의 회전 센스가 전파 방향과 무관하기 때문에 광 빔 (10)의 편광이 y 축에 대해 α+ 90°각도임을 의미한다. 이것은 동일 각도 α이지만 이번에는 반시계 방향 센스로 광 빔 (10)의 편광을 역으로 회전시키는 반파장판의 경우에는 해당하지 않는다. 따라서, 얻어지는 광 빔 (11)의 편광은 원래의 p-편광된 입력 광 빔 (1)의 편광에 대해 수직이다. 따라서, s-편광된 광 빔 (11)은 PBS (2)에 다시 들어갈 때 본래 상태로 일정 각도 회전하여, 마지막 다이어그램에 도시된 바와 같이, 위상 변조되고 s-편광된 출력 광 빔 (12)를 제공한다.

전파 방향과 함께 입력 광 빔 (1) 및 출력 광 빔 (12)의 역할이 바뀔 수 있고, 이것은 만일 s-편광된 광 빔 (11)이 위상 변조기 시스템 (20)에 PBS (2)의 출력측에서 공급되면, 위상 변조되고 p-편광된 광 빔 (1)을 입력측에서 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

반파장판 (4) 및 광회전자 (6)은 더 나은 광 투과율을 달성하기 위해 시스템 (20)의 광축 둘레를 회전할 수 있다. 그러나, 시스템 (20)의 총 투과율은 주로 위상 변조기 (8)의 반사율에 의해 결정되고, 이것은 상대적으로 클 수 있고, 일반적으로 약 70%일 수 있다. 변조 속도도 위상 변조기 (8)에 의해 결정되고, 일반적으로 6 - 9 ms 정도로 높다. LPM 위상 변조기 (8)은 바람직하게는 예를 들어 해상도 약 1920 x 1200을 갖는 픽셀 어레이형 광 변조기이다. 위상 변조기 (8)이 VAN 모 드 디스플레이인 경우, 광학 시스템의 위상 변조와 상관해서 총 투과율 변화가 다소 작고, 상기 실시태양에서, 투과율의 총 변화는 1,3 π의 위상 변조에 대해 +/- 10%이다.

PBS (2) 및 위상 변조기 (8)이 PBS (2)를 나가는 편광된 광 빔 (3)이 위상 변조기 (8)이 요구하는 특정 편광 상태에 대해 45°를 이루도록 서로에 대해 정렬되는 경우에는, 반파장판 (4)가 생략될 수 있다. 그러나, 성분들을 요망되는 정도로 기계적으로 정렬시키는 것이 종종 가능하지 않고, 이 경우에는, PBS (2)와 위상 변조기 (8) 사이에 광행로를 따라서 어느 곳에도 적당한 반파장판 (4)를 삽입함으로써 성분들의 후 집합 매칭(post assemblage matching)이 수행될 수 있다. 반파장판의 회전각은 바람직하게는 (-45°) 내지 (+45°), 훨씬 더 바람직하게는, (-23°) 내지 (+23°)이다.

상기 실시태양은 예시하는 예에 지나지 않음을 의도하고, 본 발명을 제한하는 것으로 여기지 않는다. 첨부된 특허 청구 범위에 의해 결정되는 보호 범위로부터 벗어남이 없이 당업계 숙련자에게는 다양한 변경이 명백하다.

Claims (12)

1. 빔 분할기가 편광 빔 분할기 (2)이고, 위상 변조기 시스템 (20)이 편광 빔 분할기 (2)와 위상 변조기 (8) 사이에 광행로를 따라서 배열되어 위상 변조기 (8)로 이동하고 그로부터 역으로 이동하는 광 빔 (5,9)의 편광 상태를 총 90°회전시키는 광회전자 (6)을 더 포함하고, 위상 변조기 (8)에 입사하는 광 빔 (7)의 편광 상태가 특정 편광 상태에 상응함을 특징으로 하는, 빔 분할기 및 하나 이상의 특정 편광 상태의 선편광된 광을 상기 편광 상태를 유지하면서 변조하기에 적당한 반사 모드 위상 변조기 (8)을 포함하며, 이 때 상기 빔 분할기 및 위상 변조기 (8)는 광 빔 (1,3,5,7,9,10,11,12)의 광행로를 따라서 배열되는 것인 위상 변조기 시스템 (20).
2. 제 1 항에 있어서, 반파장판 (4)가 편광 빔 분할기 (2)와 위상 변조기 (8) 사이에 광행로를 따라서 배열되고, 반파장판 (4)가 위상 변조기 (8) 쪽으로 이동하는 광 빔 (3)의 편광 상태를 미리 선택된 각도 (α)만큼 회전시키고 편광 빔 분할기 (2) 쪽으로 이동하는 광 빔 (10)의 편광 상태를 동일 각도 (α)이지만 반대 센스로 회전시키는 위상 변조기 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 반파장판이 편광 빔 분할기 (2)와 광회전자 (6) 사이에 배열되는 위상 변조기 시스템.
4. 제 2 항에 있어서, 반파장판이 광회전자 (6)과 위상 천이기 (8) 사이에 배열되는 위상 변조기 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 광회전자 (6)이 광학 활성 물질인 위상 변조기 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 광회전자 (6)이 45°패러데이 회전자인 위상 변조기 시스템.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 위상 변조기 (8)이 픽셀 어레이형 광 변조기, 바람직하게는 수직 정렬된 네마틱 모드 액정 구조, 훨씬 더 바람직하게는 수직 정렬된 네마틱 모드 실리콘 상층 액정 구조인 위상 변조기 시스템.
8. a) 입력 광 빔이 편광 빔 분할기를 통과하게 함으로써 제 1 편광 상태를 갖는 광 빔을 제공하는 단계,

   (b) 상기 광 빔의 상기 제 1 편광 상태를 광회전자에 의해 제 1 센스로 45°회전시키는 단계,

   (c) 위상 변조기에 입사하는 광 빔의 편광 상태가 특정 편광 상태에 상응하 는 상기 광 빔을 위상 변조기에 의해 반사시켜 위상 변조된 반사된 광 빔을 얻는 단계,

   (d) 반사된 광 빔의 편광 상태를 광회전자에 의해 상기 제 1 센스로 45°회전시켜서 상기 제 1 편광 상태에 대해 직교인 편광 상태를 갖는 광 빔을 얻는 단계, 및

   e) 광 빔이 상기 편광 빔 분할기를 통과하게 함으로써 상기 제 2 편광 상태를 갖는 상기 광 빔을 입력 광 빔으로부터 분리하는 단계

   를 포함함을 특징으로 하는, 하나 이상의 특정 선편광 상태의 선편광된 광을 상기 특정 선편광 상태를 유지하면서 변조하기에 적당하며 반사 모드로 작동가능한 위상 변조기를 포함하는 위상 변조기 시스템에서 위상 변조된 광 빔으로부터 입력 광 빔을 분리하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서, f) 편광 빔 분할기로부터 위상 변조기로 이동하는 광 빔의 편광 상태를 반파장판에 의해 각도 α만큼 회전시키는 단계 및 g) 위상 변조기로부터 편광 빔 분할기로 이동하는 광 빔의 편광 상태를 상기 반파장판에 의해 (-α) 만큼 회전시키는 단계를 더 포함하고, 상기 α가 (-45°) 내지 (+45°), 바람직하게는 (-20°) 내지 (+20°)의 각도인 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 단계 f)가 단계 a)와 단계 b) 사이에서 수행되고, 단계 g)가 단계 d)와 단계 e) 사이에서 수행되는 방법.
11. 제 9 항에 있어서, 단계 f)가 단계 b)와 단계 c) 사이에서 수행되고, 단계 g)가 단계 c)와 단계 d) 사이에서 수행되는 방법.
12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 위상 변조기가 픽셀 어레이형 광 변조기, 바람직하게는 수직 정렬된 네마틱 모드 액정 구조, 훨씬 더 바람직하게는 수직 정렬된 네마틱 모드 실리콘 상층 액정 구조인 방법.

Images