도파관이란?

도파관은 한 위치에서 다른 위치로 전자기파를 유도하는 특수 구조물로, 흔히 정보 전송을 위해 두 개 이상의 구성 요소를 연결하는 데 사용됩니다. 도파관은 일반적으로 단면이 직사각형 또는 원형이며 마이크로파, 전파 및 광파(광학 도파관)를 적은 손실로 유도합니다.

도파관이 다양한 전자기파를 전파하는 방식에 영향을 미치는 여러 요인은 다음과 같습니다.

• 도파관 형태
• 도파관 크기
• 강성 또는 유연성 등 사용되는 재료의 특성

도파관은 동축 케이블과 혼동되는 경우가 많은데, 둘 다 전자기파를 유도하는 전송선이기 때문입니다. 그러나 도파관의 구조 및 전파 방법은 동축 케이블과 다릅니다. 동축 케이블은 절연 재료로 분리된 두 개의 도체를 사용하여 전자기파를 전파하는 반면, 도파관 내에서는 전자기파가 다양한 ‘모드’를 지원하는 중공 구조 내부를 이동하고 전파됩니다. 광학 도파관은 광파가 의도한 목적지까지 전파되도록 두 재료 간의 굴절률 차이를 이용합니다. 마이크로파와 같은 분야에 사용되는 비광학 도파관은 파동을 유도하기 위해 임피던스 또는 재료 전도율을 사용하여 전자기 방사를 제한하고 유도합니다.

이 문서에서는 광학 도파관에 중점을 두고 도파관이 무엇이며 현재 다양한 유형이 어떻게 사용되는지 상세히 살펴보았습니다.

광학 도파관은 다양한 광학 주파수(주로 적외선 범위)에서 빛을 전송하며, 일반적으로 광학 신호를 라우팅하거나 제어하는 데 사용됩니다.

가장 일반적인 유형의 광학 도파관은 광통신에 사용되는 광섬유입니다. 광섬유는 전통적으로 실리카 유리로 만들어지며, 굴절률이 높은 코어와 굴절률이 낮은 클래딩을 갖추어 광섬유를 따라 빛을 유도합니다.

덜 일반적인 유형으로는 평면형 광학 도파관이 있습니다. 이는 절연체 위의 실리콘, 갈륨 비소, 리튬 니오베이트 또는 인듐 인화물과 같은 반도체 칩 위에 제작되므로 '온칩 도파관'이라고 합니다. 온칩 도파관에는 리브, 스트립, 마이크로스트립, 로드, 인버티드 리브 및 광결정 등 다양한 형상이 있을 수 있습니다.

광결정은 다른 도파관과 다르게 작동하기 때문에 광학 도파관의 새로운 영역입니다. 빛은 도파관의 굴절률에 따라 빛을 유도하는 대신, 결정 자체를 통과할 수 없기 때문에 광결정의 패턴에 의해 유도됩니다. 특정 빛 파장은 반도체의 전자 밴드 갭과 유사하게 결정의 포토닉 밴드 갭에 의해 차단됩니다. 광결정은 본질적으로 ‘광학 반도체’입니다.

광학 도파관과 마이크로파 주파수, 무선 주파수(RF) 및 기타 전자기파 유도에 사용되는 도파관을 비롯하여 다양한 유형의 도파관이 있습니다.

원형 도파관

원형 도파관은 주로 횡방향 전기(TE) 및 횡방향 자기(TM) 모드에서 마이크로파와 전파를 유도하는 데 사용되는 중공 튜브입니다. 파동은 보통 금속 도파관을 통해 원형 경로를 따라 유도됩니다.

이 종류의 도파관은 일반적으로 무선 통신, 마이크로파 백홀 및 레이더 응용 분야에서 사용됩니다.

동평면 도파관

동평면 도파관은 중앙 전도 스트립과 두 개의 접지 평면을 갖춘 도체가 있는 직사각형 도파관이며, 모든 도체는 기판 재료(인쇄 회로 기판 또는 PCB 등)의 동일한 면에 위치합니다. 동평면 도파관은 마이크로파 장치, 밀리미터파(mmWave) 회로 및 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC)에서 마이크로파를 유도하는 데 사용됩니다.

연성 도파관

연성 도파관은 다른 도파관과 달리 더 단단한 도파관으로는 불가능한 제한된 공간에 맞도록 꼬이거나 구부릴 수 있습니다. 연성 도파관은 연성 외층이 있는 구리, 황동 또는 알루미늄으로 만들어지며, 유연성을 제공하기 위해 골이 진 구조 및 나선형 구조를 포함할 수 있습니다. 그러나 이로 인해 도파관에 저항과 신호 감쇠가 발생할 수도 있습니다.

연성 도파관은 꼬임형, 구부림형 및 가변 꼬임형의 세 가지 주요 형태로 제공됩니다. 주로 통신 및 항공우주 부문의 마이크로파 유도 응용 분야에 사용됩니다.

제로 모드 도파관

ZMW(제로 모드 도파관)는 빛의 파장보다 작은 볼륨으로 빛을 유도하는 광학 도파관입니다. 이러한 구속 조건을 달성하기 위해 광학 관측 볼륨을 줄이는 작은 구경구와 같은 나노스케일 구조를 사용합니다.

다른 광학 도파관과 달리 ZMW는 전파 광학 모드를 지원하지 않으며 대신 플라즈모닉, 양자 광학, 단일 분자 또는 형광 이미징에 사용됩니다.

유전체 도파관

유전체 도파관은 광섬유 및 온칩 도파관을 구성하는 데 사용되는 원통형 도파관입니다. 유전체 도파관은 높은 굴절률 코어와 낮은 굴절률 클래딩을 갖추고 있습니다. 광파는 전체 내부 반사의 원리를 사용하여 전파됩니다. 빛이 밀도가 높은 매체에서 밀도가 낮은 매체로 이동하려고 하면 재료 인터페이스에서 밀도가 높은 매체로 다시 반사됩니다. 따라서 유도파가 파이버 코어에 갇히게 되어 손실이 낮은 장거리에서도 전송이 가능합니다. 유전체 도파관은 광통신 및 집적 광학에 널리 사용됩니다.

모든 도파관은 모드를 통해 전자기파를 전파합니다. 광학 도파관에서 모드는 빛이 도파관을 따라 내려갈 때 나타나는 형상을 말합니다. 도파관이 작을수록 모드가 적지만 대형 도파관은 더 많은 전파 모드를 지원합니다. 광학 모드에서는 도파관 전체에 걸쳐 일관된 단면을 유지하는 것이 중요합니다. 모든 변경 사항이 도파관 내의 감쇠(신호 손실)에 영향을 미치는 산란을 일으킬 수 있기 때문입니다.

횡방향 전기 및 횡방향 자기 모드

횡방향 전기(TE) 및 횡방향 자기(TM) 모드는 마이크로파를 전파하는 데 사용되는 두 가지 일반적인 도파관 모드입니다. 이 두 가지를 결합한 모드를 TEM 모드라고 합니다. 이러한 모드는 광학 도파관에서도 발생할 수 있습니다.

TE 모드와 TM 모드는 모두 전파 중에 전자기장의 방향으로 정의됩니다. 전자기장은 주어진 시간에 특정 방향을 가리키는 벡터입니다. TE 모드에서 전기장은 파동 전파 방향(수평 또는 수직)에 대해 수직으로 존재합니다. TM 모드에서 자기장은 전파 방향에 대해 수직입니다. 광학 도파관은 마이크로파 또는 라디오파 전파와 달리 TE 모드나 TM 모드의 근사치인 준 TE 및 준 TM 모드를 사용할 수 있습니다.

단일 모드 파이버와 다중 모드 파이버

광섬유 도파관에서 빛은 단일 모드 또는 다중 모드로 전파될 수 있습니다. 단일 모드 파이버의 코어는 매우 작은 반면, 다중 모드 파이버는 훨씬 큰 코어를 갖추고 있습니다. 단일 모드 파이버는 실리콘 포토닉스 및 장거리 광통신에 사용됩니다. 그 이유는 작은 코어가 더 적은 수의 모드를 지원하므로 빛(및 그 안에 포함된 정보)이 장거리에서 효율적으로 이동할 수 있기 때문입니다. 그러나 코어가 작기 때문에 도파관에 빛을 투입하기가 더 어렵습니다. 빛을 파이버로 펄스화하려면 특수 레이저와 광학 부품이 필요합니다.

다중 모드 파이버는 두 개 이상의 모드가 존재하면 광 펄스가 서로 다른 속도로 이동하고 확산되기 때문에 장거리 통신에는 적합하지 않습니다. 다중 모드 파이버는 LAN(Local Area Network) 및 데이터 센터와 같은 단거리 통신 네트워크에 더 적합합니다.

도파관(광학 및 비광학 모두)은 다음과 같은 다양한 용도로 사용됩니다.

• 광통신(통신)
• 포토닉 집적 회로(PICs)
• 광학 센서
• 레이저
• 간섭계
• 레이더
• 마이크로파 및 RF 통신
• 인쇄회로기판(PCB)
• 광학 회로
• 광학 송신기
• 테라헤르츠(THz) 통신
• 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR)과 같은혼합 현실 시스템은 기존 도파관과 구별되는 더 큰 도파관(라이트 가이드라고 함)을 사용합니다.

광통신

광통신은 유전체 도파관을 사용해 한 위치에서 다른 위치로 빛을 유도하여 시스템 간에 정보를 전달하는 가장 큰 상업적 응용 분야 중 하나입니다. 단일 모드 파이버는 장거리 통신에 사용되고 다중 모드 파이버는 단거리 통신에 사용됩니다.

반도체 레이저는 인코딩된 정보를 파이버로 전달하는 광 펄스를 생성합니다. 이 정보는 레이저의 구동 전류를 변조하거나 레이저와 분리된 외부 변조기를 사용하여 광학 신호에 인코딩됩니다. 그런 다음, 파동은 광다이오드와 트랜스임피던스 증폭기를 포함하는 도파관 수신기에서 수신될 때까지 광섬유를 통과합니다. 이러한 수신기는 광섬유의 고주파 광학 신호를 전기 신호로 처리하여 데이터 전송을 가능하게 합니다.

중요한 것은 광학 도파관의 재료 속성입니다. 적절한 굴절률 외에도 재료의 흡수 특성도 중요한데, 광학 흡수가 너무 많으면 신호 손실이 발생할 수 있기 때문입니다. 이러한 이유로 도파관은 투명하며 유리 또는 투명 플라스틱으로 만들어집니다. 불투명한 클래딩 재료는 빛을 너무 많이 흡수하여 광섬유에 과도한 감쇠를 유발합니다.

대부분의 광통신(예: 통신)은 도파관을 사용하지만 일부 광통신 기술에는 도파관이 필요하지 않습니다. 주요 예는 FSO(자유 공간 광학) 통신으로, 공기(예: 자유 공간)를 통해 빛을 전파하여 송신기와 수신기 간에 데이터를 전송합니다.

포토닉 집적 회로

광학 도파관은 포토닉 집적 회로(PIC)에서 회로의 ‘와이어’로도 사용됩니다. 전자 집적 회로(IC)의 기존 와이어와 동일하지만 전자가 아닌 빛을 통해 신호를 전송합니다. 도파관은 PIC의 다양한 구성 요소를 연결하는 데 사용됩니다.

광섬유의 모드 크기가 PIC보다 훨씬 크기 때문에 PIC는 렌즈와 같은 구성 요소를 사용하여 빛의 초점을 변경하는 광섬유에 결합되는 경우가 많습니다. 따라서 빛은 손실을 줄이기 위해 더 작은 범위에 집중됩니다.

도파관을 사용하는 PIC 구성 요소가 많이 있습니다. 구체적으로 설명하면 다음과 같습니다.

• 스플리터: 광파를 단일 도파관에서 두 개의 도파관으로 분할
• 커플러: 서로 다른 두 도파관의 광파를 단일 도파관으로 커플링
• 링 공진기: PIC에서 필터나 변조기로 사용할 수 있는 원 또는 타원으로 구성
• 나선형 도파관: PIC에서 신호 지연
• 격자 커플러: 칩에서 광섬유로 들어오고 나가는 빛을 수직으로 커플링
• 광 스위치: 도파관 내의 굴절률을 변경하여 PIC 주변의 광학 신호를 제어하고 라우팅

광학 센서

광학 도파관은 광학 센서에서 널리 사용됩니다. 화학적 감지에서 기체 또는 액체 분자의 존재는 감지 가능한 응답을 생성합니다. 분자는 도파관과 결합하거나 간섭을 일으켜 도파관 전체의 굴절률을 변화시킵니다. 그러면 이를 측정하고 정량화하여 관심 있는 화학 종을 결정할 수 있습니다. 광학 도파관을 사용하는 다른 일반적인 응용 분야로는 라이더(LiDAR), 비전 센서 및 광섬유 센서가 있습니다.

광학 도파관은 다음과 같은 기술로 제작됩니다.

• 리소그래피
• 레이저 묘화
• 박막 증착
• 파이버 드로잉
• 직접 묘화 기법

온칩 광학 도파관의 경우 반도체 칩은 기존 IC 칩을 만드는 데 사용되는 것과 동일한 반도체 제조 기술을 통해 제작됩니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 포토리소그래피
• 플라즈마 에칭
• 반응성 이온 에칭(RIE)
• 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)
• 금속 유기 CVD(MOCVD)
• 물리기상 증착(PVD)
• 원자층 증착(ALD)
• 분자 빔 에피택시(MBE)

도파관의 표면 거칠기가 산란과 광 손실을 일으킬 수 있기 때문에 제조 공정의 정확도가 중요합니다. 다른 반도체와 마찬가지로 제조 공정과 환경은 높은 감도를 유지하고 오염을 방지하는 데 매우 중요한 요소입니다.

모드 솔버를 사용하여 도파관을 시뮬레이션하고 해당 모드를 예측할 수 있습니다. Ansys Lumerical 제품 컬렉션은 엔지니어가 광학 도파관을 시뮬레이션하는 데 도움이 되며, Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어는 RF 및 마이크로파 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 광범위한 시행착오적 프로토타입을 제작하지 않고도 도파관을 더 효과적으로 설계할 수 있습니다.

다음은 시뮬레이션 소프트웨어로 달성할 수 있는 작업의 예입니다.

• 다양한 재료와 크기로 제작된 여러 가지 유형의 도파관 설계
• X 및 Y 도파관 단면 최적화(예: 전파는 Z 방향임)
• 도파관에서 사용할 모드(TE 모드, TM 모드, 단일 모드 또는 다중 모드) 계산
• 빛이 도파관을 따라 이동할 때 도파관 모드의 전파 상수 및 유효 지수 계산
• 전기장의 X, Y 및 Z 구성 요소를 포함한 도파관의 전기장 프로파일 계산
• 전파되는 파동에 간섭이 없는지 확인
• 도파관의 굽힘으로 인해 발생할 수 있는 손실을 비롯한 잠재적 손실 계산

도파관의 속성을 조사하는 것과 더불어 도파관이 통합된 시스템을 시뮬레이션하여 더 나은 온칩 설계를 개발할 수도 있습니다.

예를 들어, 엔지니어는 시뮬레이션을 사용하여 모드가 도파관 아래로 전파될 때 도파관을 검사할 수 있습니다. 스플리터 또는 커플러에서 빛이 어떻게 작동하는지 확인할 수 있으므로 빛이 효율적으로 커플링 또는 분할되고 대규모 광학 또는 포토닉 시스템 내에서 손실을 최소화할 수 있습니다.

광학 회로를 설계할 때 엔지니어는 시뮬레이션을 사용하여 다른 구성 요소를 분석하고 해당 구성 요소가 의도한 응용 분야에 대한 최적의 속성, 기능 및 특성을 갖추고 있는지 확인할 수도 있습니다.

지금 바로 Ansys 기술 팀에 문의하여 시뮬레이션을 통해 고급 도파관을 설계하고 최적화하는 방법을 알아보십시오.

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