KR100241581B1 - 펌프 파워의 효율적 사용을 위한 광섬유 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성 게인 원소들로 선택적으로 도핑된 하나 이상의 코어 (134), 및 그 코어를 감싸고 있는 내부 클래딩 (clading) 을 포함하는, 게인 (gain) 응용에 사용하기 위한 광섬유 (130) 구조물로서, 여기서, 그 내부 클래딩은, 펌프 에너지가 섬유 구조체의 길이를 따라 진행함에 따라, 외부 전원으로부터의 다중모드 펌프에너지를 받아들여, 이 에너지를 수용하고, 그 에너지와 코어내의 활성 도판트의 상호작용에 의해, 그 에너지를 코어에 전달할 목적으로 제공된다. 내부 클래딩의 단면 형태는 펌프에너지로 이루어진 여러 가지 방사모드들이 등방적으로 분포되는 균일한 방사선 장 (radiation field) 이 유도되도록 전파하는 펌프 에너지를 포함하기 위해 직사각형이 아닌, 볼록한 다각형이다.

Description

펌프 파워의 효율적 사용을 위한 광섬유 구조물

광섬유 증폭기 및 레이저는 그 향상에 있어 지난 수년간에 걸쳐 두드러진 발전을 겪은 기술로서 잘 입증되고 있다. 초기에 그들은 클레딩으로 둘러싸인 코어내에서 분산된 게인 원소들을 포함하는 단순한 형태였다. 게인 원소들에 대해 호스트로 제공되는 코어는 통상적으로 실리카 유리였으나, 매트릭스 물질 및 플루오르라이드 호스트들 또는 포스페이트를 주성분으로한 유리가 보고되었다. 게인 원소의 농도, 섬유길이 및 펌프 파워는 게인으로 손실이 극복되어 증폭작용 또는 레이저 작용이 제공되도록 정해지며, 여기서 섬유는 적절한 피드백으로 제공되었다. 초기에, 출력 파워는 대체로 밀리와트였다.

초기에, 펌핑은 플래쉬튜브 (flashtubes) 를 갖는 코어의 측면을 통해 이루어졌으나, 이는 코어를 펌핑하는 단부 (즉, ″단부-주사 (end-fired)″) 로 대체되었다. 그러나, 단부 펌핑은 레이저 다이오드를 갖더라도 비효율적이어서 문제점을 갖고 있으며, 따라서 출력파워는 소오스 및 섬유의 실제 실현가능한 물리 광학적 성질로 인해, 모든 가용 펌프 파워가 완전히 이용될 수 없어 다소 낮은 밀리와트 수준으로 제한되었다. 많은 희토류 이온들을 펌핑하는데 적절한 파장에서 작동하는 레이저 다이오드 어레이가 대두함에 따라, 자연적으로 그러한 소오스들은 더욱 높은 출력파워를 얻기 위한 후보자가 되었다. 그러나, 광섬유 개구수 (즉, 솔리드 어셉턴스 콘 (solid acceptance cones)) 에 대한 고유의 실제적 제한과 관련되는 그들 빔의 질로 인해, 이러한 더욱 높은 파워 소오스를 코어, 특히 효율적 결합을 위해 단일모드 펌프가 요구될 수 있는 단일모드 코어에 효율적으로 결합시키는 것은 여전히 불가능하였다.

그러나, 스니처 (Snitzer) 등의 미합중국 특허 제 4,318,079 호에는 이러한 문제에 대한 뛰어난 해답이 개시되어 있으며, 그의 미합중국 특허 제 3,808,549 호에 개시된 마우러 (Maurer) 에 의한 종래의 접근방법을 뛰어넘어 매우 향상시켰다. 스니처 등의 체계에서, ″클래딩 펌핑″으로 지칭되는, 활성 이온들을 함유하는 단일모드 코어가 코어의 지수보다 더 낮은 지수의 비도핑된 내측 다중모드 클래딩으로 포위되며, 효율적 펌핑을 위해 특별한 기하학적 형태를 갖는다. 또한, 이는 여전히 더 낮은 반사지수로 된 외측 클래딩으로 포위된다. 펌프 광은 내측 클래딩으로 주사, 클래딩들 사이의 경계면에서 전면적인 내부반사에 의해 구속되어, 외측 클래딩에 대해 코어와 같은 구조인 내측 클래딩의 아래로 전파된다. 다중모드인 내측 클래딩은 물리적으로 명백히 코어보다 더 크므로, 더 나은 타겟이 존재하며, 내측 및 외측 클래딩의 지수 (index) 함수인 개구수는 펌프 파워를 좀더 효율적으로 수용하기 위해 가능한한 크게 형성된다. 펌프 파워가 내측 클래딩의 아래로 전파됨에 따라, 코어에 의해 점진적으로 흡수되어, 게인 및 뒤이은 레이저 작용에 필요한 개체수 역전 (population inversion) 에 적절한 피드백이 제공된다. 이 체계는 횡방향 펌핑 및 종방향 펌핑을 갖는 하이브리드로서, 단일모드 출력을 제공하기 위해, 비간섭성 소오스로부터의 가용 펌프 파워를 단일모드 코어에 효율적으로 결합시키는데 큰 장점을 갖고 있다. 유효한 것으로 알려진 내측 클래딩의 기하학적 구조로는 직사각형과 같은 연장된 슬랩 구성형태 및 코어가 내측 클래딩의 내부에 이심적으로 위치된 구성형태를 포함한다.

비록 스니처 등의 구성형태가 섬유포멧에 단일모드를 제공하면서도, 의미있는 펌프 파워에 대한 향상된 결합방법을 나타내었지만, 본 발명의 주목적은 섬유 증폭기 및 레이저의 효율적인 클래딩 펌핑에 사용하기 위한 여러 가지 클래딩 형태를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 여러 가지 펌프 방사선분포 패턴으로 사용하기 위한 효율적인 클래딩을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 가용 펌프 특성들을 결합시키기 위해 효율적인 클래딩 형태를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 최적 방사선결합 효율을 갖는 광섬유를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 섬유코어가 단일모드인 광섬유를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 광섬유 내측 코어내에 균일한 방사선모드 분포를 제공하는 광섬유를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 광섬유 방사선결합 효율이 광섬유 코어의 위치 함수가 아닌 광섬유 코어를 제공하는데 있다.

이하, 본 발명의 다른 목적들을, 도면을 참조하여, 좀더, 명백하게 설명한다.

본 발명은 광증폭기 또는 광 레이저에 설치된 것과 같은 하나 이상의 게인 코어를 갖는 멀티클레드 광섬유 구조물에 관한 것으로, 특히, 펌프 방사선을 섬유 게인코어에 효율적으로 결합시키기 위해 사용되는 광섬유에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 특징으로 고려되는 신규한 태양들을 상세히 설명한다.

도 1 은 종래의 내측 클래딩으로 감싸지고, 다시 외측 클래딩으로 감싸진 게인 원소들로 도핑된 코어를 갖는 광섬유를 도식적으로 나타낸 단면도,

도 2 는 종래의 방사원과 결합되어 광도파관과 정렬된 광섬유를 도식적 나타낸 종단면도,

도 3 은 종래의 섬유 레이저와 그 섬유 레이저 코어의 내부에서 전파하는 레이징 광선을 나타낸 종단면도,

도 4a 는 도파관내부에서 다른 모드의 광선들을 나타낸 선부분을 갖는 광섬유의 간단한 도식적 단면도,

도 4b 는 대략 10°의 반사각 (bounce angle) 을 갖는 저차수 모드 광선을 도시하는 도 4a의 광섬유의 도식적 단면도,

도 4c 는 대략 40°의 반사각 (bounce angle) 을 갖는 고차수 모드 광선을 나타내는 도 4a의 광섬유의 도식적 단면도,

도 5 는 종래의 내측 클래딩의 내부에 이심적으로 위치된, 도핑된 활성코어를 갖는 레이저의 도식적 단면도,

도 6 은 본 발명에 따른 도파관을 갖고, 단면에서, 섬유의 길이를 따라 전파하는 광선을 일련의 광선부분의 투사로 나타낸 광섬유의 도식적 단면도,

도 7 은 섬유를 따라서 전파함에 따라 도파관내에서 내부 반사를 겪는 광선의 2가지 도식적 예를 나타낸 다이아그램,

도 8 은 본 발명에 따라 도파관내에 사용된 형태인 다각형에 필요한 ″공간-채우는 타일링″ 성질을 나타낸 다이아그램,

도 9 는 일반적인 다각형 전개부를 나타낸 도면,

도 10a 내지 10d 는 본 발명에 따른 도파관 단면이 3개인 광섬유 실시예를 나타낸 다이아그램,

도 11a 내지 11d 는 본 발명에 따른 도파관 단면이 4개인 광섬유 실시예를 나타낸 다이아그램,

도 12 는 본 발명에 따른 도파관 단면이 6개인 광섬유 실시예를 나타낸 다이아그램, 및

도 13 은 본 발명에 따른 레이저 바, 광빔 회전장치, 집속 광학기기 및 광섬유를 나타내는 광섬유의 전형적인 응용을 도식적으로 나타낸 사시도.

게인 응용에 사용하기 위한 광섬유 구조체는 활성 게인 원소들로 선택적으로 도핑된 하나이상의 코어, 및 그 코어를 감싸고 있는 내측 클래딩을 포함한다. 그 내측 클래딩은 외부 전원으로부터의 댜중모드 펌프 에너지를 취득, 이 에너지를 가두어, 펌프 에너지가 섬유 구조체의 길이방향을 따라 전파함에 따라, 에너지와 코어내의 활성도판트의 상호 반복작용에 의해, 그 에너지를 코어로 전달할 목적으로 제공된다. 내측 클래딩의 단면은 여러 가지 공지된 볼록형 다각형 형태들중의 하나이다. 클래딩의 단면형태의 성질은 전파하는 펌프 에너지를 유도하여, 펌프 에너지를 구성하는 여러 가지 방사선 모드가 등방적으로 분포된 균일한 방사선 장을 형성한다. 각각의 다각형 형태는 i) 다수의 동일 다각형이 타일링 (tiling) 에 의해 평면 영역을 덮기 위해 사용되면, 모든 다각형들은 인접 다각형과 공간이 없는 타일링 어레이에 끼워맞출수 있으며, ii) 모든 다각형들이 어떤 공통면에 대하여 서로 거울이미지가 되는 성질을 갖는다. 공지된 여러 가지 클래딩 단면형태들중에는 볼록형 삼면, 사면 및 육면의 다각형들이 있다.

일반적으로, 광섬유 증폭기 및 레이저는 구성요소인 광섬유의 코어 내부에서 전파하는 광방사선으로 기능한다. 증폭기 또는 레이저가 동작하는 동안, 신호 또는 펌프 방사선은 광섬유의 일단에 주사, 섬유에 의해 구속되어, 가이드되며, 타 섬유단에서 증폭된 신호 또는 레이징 방사선으로서 나온다.

도 1 은 코어 (14), 상기 코어 (14) 를 둘러싼 내측 클래딩 (12) 및 그 내측 클래딩 (12) 을 둘러싼 외측 클래딩 (16) 으로 구성된 원대칭의 다중클래드 광섬유 (10) 의 단면도이다. 코어 (14) 는 단일모드 발생에 대해 2 내지 10㎛ 의 직경범위가 될 수 있다. 저출력 응용에서, 펌프 방사선는 통상 단일모드이며, 코어 (14) 에 직접 주사될 수 있다. 코어 (14) 의 반사지수 n₁이 내측 클래딩 (12) 의 반사지수 n₂보다 클 때, 방사선은 내부 전반사에 의해 코어 (14) 내에 대부분 구속될 수도 있다. 종래에 공지된 바와 같이, 내부 전반사는, 방사선이 임계각 θ_c보다 작은 각도로 코어 경계를 때릴 때, 발생한다. 법선으로부터 코어 경계까지 측정된 각 θ_c는 관계식 sinθ_c= sin^-1(n₂/n₁) 으로부터 얻어진다.

그러나, 대부분의 단일모드 방사선 소오스들은 파워가 낮아, 그러한 소오스들은 효율적인 결합을 가지면서도 고출력 수준을 요구하는 응용에 대해서는 만족시키지 못할 것이다. 이러한 문제에 대한 종래의 하나의 해결책으로는 그러한 주사된 방사선을 구속, 가이드하는 도파관 영역과 같이 기능하는 내측 클래딩으로 다중모드 방사선을 직접 주사하는 것이었다.

섬유 (10) 와 같은, 광섬유에서, 내측 클래딩 (12) 은 반사지수 n₂를 갖는 내측 클래딩 (12) 와 반사지수 n₃를 갖는 외측 클래딩 (16) 사이의 계면 (18) 에서 발생되는 방사선의 내부반사에 의해 도파관으로 기능한다. 내측 클래딩의 목적은, 방사선이 섬유의 길이를 따라 전파함에 따라, 코어 (14) 를 반복 횡단하도록, 주사된 방사선을 구속하는 것이다. 그러한 코어와 각 교차점에서, 펌프 방사선의 일부가 코어 (14) 내에 포함된 활성 게인 도판트에 의해 흡수된다. 광섬유의 길이는, 이러한 교차점을 대량으로 생성하여 펌프 방사선을 가능한한 많은 흡수하기 위해, 통상 10 미터이다.

광증폭기는, 증폭하는 방사선을 코어 내에서 전파하는 신호에 결합시키기 위해, 도 1 에 도시된 바와 같은 섬유 구성에 사용될 수도 있다. 마우러에게 등록된 미합중국 특허 제 3,808,549 호에는 광섬유와 정렬된 방사선 소오스를 포함하는 광통신장치가 개시되어 있다. 그 통신장치는 그 특허의 도 1에서 횡단면도로 도시되며, 여기서는 도 2로 도시된 광섬유 (20) 과 광도파관 (32) 을 포함한다. 광섬유 (20) 는 코어 (24) 의 표면상에 위치된 투명한 내측 클래딩 층 (22) 및 내측 클래딩 (22) 의 표면상에 위치된 얇은 외측 클래딩 층 (26) 을 포함한다. 광섬유 (20) 의 출력단은 광도파관 (32) 의 입력단과 정렬된다. 코어 (24) 에서 발생된 방사선은 광도파관 (32) 에 결합된다.

참증특허는, 소오스 (34) 로부터 측정가능한 방사선 양이 받아들여 코어 (24) 를 따라 전파되도록 하기 위해, 외측 클래딩 층 (26) 의 반사지수가 내측 클래딩 층 (22) 의 반사지수보다 충분히 낮아야 한다고 설명한다. 코어 (24) 는, 방사선이 계면 (28) 로부터 전후로 여러번 반사됨에 따라, 방사선을 흡수한다8. 또한, 참증은 광섬유 (20) 의 길이가 대부분의 방사선이 코어 (24) 에 의해 흡수되도록 충분히 커야 한다고 설명한다.

카프카에게 등록된 미합중국 특허 제 4,829,529 호에는 광섬유 레이저용 레이징 케비티(lasing cavity) 로서 사용된 다중클래드 광섬유가 개시되어 있다. 참증특허의 도 2 는 다중모드 광펌핑 캐비티가 결합된 단일모드 섬유의 측단면도를 제공한다. 이 도면은 본 발명에서 도 3 으로 도시된다. 논의를 돕기 위해, xyz 좌표계 (39) 가 포함된다.

섬유 레이저 (40) 는 펌프 캐비티를 한정하는 2개의 다중모드 클래딩 (42) 및 외측 층 (46) 으로 둘러싸인 단일모드 코어 (44) 로 구성된다. 클래딩 (42) 및 외측 층 (46) 에 대한 반사지수는 펌프 방사선이 계면 (48) 에서 내부 전반사될 수 있도록 선택된다. 만일 방사선이 이러한 방식으로 행동하는 모드에 있다면, 방사선이 클래딩 (42) 을 따라 전파함에 따라, 방사선은 코어 (44) 를 수차례 교차하여, 코어 (44) 내의 레이저 게인 매체에 결합될 수도 있다. 그러나, 그러한 구조에서 여기된 모든 모드가 코어를 교차하는 경로를 따라 전파하지는 않을 것이다. 실제로, 대부분의 펌프 에너지를 수송하는 왜곡된 광선이 코어를 둘러싸는 환상 영역내에 집중되어, 코어를 횡단할 수 없다. 코어가 대부분의 펌프 에너지로부터 이격된 중심에 위치되므로, 그러한 원대칭적 섬유구조는 가용 펌프 출력의 용도로는 상대적으로 불충분하며, 따라서 실제적으로 거의 무용하다. 원대칭적 섬유에서 불균일한 모드분포는 기하학적 구조의 결과로서, 단지 원형의 기하학적 구조와 중심코어의 위치가 펌퍼 출력을 효율적으로 사용하는데 부적절하다.

이제, 클래딩 영역에 대한 코어영역의 증가가 결합효율을 향상시킬 수 있음을 알수 있다. 그러나, 통상, 코어 및 클래딩의 부피는 레이저 및 증폭기 시스템의 물리적 요구조건에 의해 지정된다. 코어 직경은, 코어 (14) 내의 방사선 전파를 단일 모드 동작으로 재현할 수 있도록 충분히 작아야 하며, 일반적으로, 10㎛ 또는 그 이하이다. 클래딩의 직경은, 다중모드 소오스로부터 효율적으로 방사선을 획득하기 위해 충분히 커야 하며, 통상적으로, 125 내지 1100 ㎛ 이다. 요구되는 것은 결합효율이 섬유코어의 부피증가없이 향상될 수 있는 광섬유 구성이다.

코어의 직경을 변화시키지 않고 섬유 결합효율을 향상시키는 하나의 방법이, 다중모드 방사선을 광섬유 코어로 ″클래딩 펌핑하는' 방법이 기재되어 있는, 한나에게 등록된 미합중국 특허 제 5,291,501 호에 개시되어 있다. 참증특허에서, 내측 클래딩은 제 1 활성물질로 도핑되며, 단일모드 코어는, 내측 클래딩이 펌프될 때, 발생된 레이징 방출이 광섬유 코어에 레이저 활성 도판트에 대한 펌프 방사선으로 제공되도록, 서로 다른 제 2 레이저 활성물질로 도핑된다. 참증은, 방사선이 누설에 의해 코어보다는 내측 클래딩의 활성물질에 의해 좀더 용이하게 흡수된다고 설명한다. 따라서, 펌프 방사선은 투명한 내측 클래딩을 이용하는 다른 클래딩 펌핑 어레이의 흡수길이보다 더 짧은 길이로 흡수된다. 그러나, 이러한 접근방법은 내측 클래딩이 활성 도판트와 일체화되는 것을 요구한다.

상술한 바와 같은, 종래의 광섬유 증폭기 및 섬유 시스템들은 원형 단면을 갖는 광섬유와 결합된다. 이러한 시스템들은, 내측 클래딩층이 회전대칭적인 도파관 형태일 때 결합과정에 편승하는 한계를 거의 감지함이 없이, 광섬유 결합효율의 향상을 추구하였다. 원형 도파관이 방사선을 구속하여, 중심코일에 결합시키 위해 사용될 때, 도파관내의 최종 방사선 분포는 비등방적이며, 따라서, 모든 방사선 모드가 코어를 횡단하는 것은 아니다. 따라서, 광섬유내에 존재하는 모든 방사선이 광섬유에 의한 흡수에 이용할 수 있는 것은 아니다.

이러한 한계는 도 4a 내지 도 4c 를 참조하여 잘 설명될 수 있다. 광섬유 (60) 는 다중클래드 광섬유의 단면을 간단히 표현한 것이다. 전파하는 방사선은 내측 클래딩 (62) 내에 구속된 복수개의 광선 (61) 으로 표현된다. 도시된 바와 같은 다중모드 광섬유 구조에 존재하는 방사선 모드들을 수백 또는 비록 수천개 또는 수백개 조차도 도식적으로 표현하는 것이 불가능하기 때문에, 단지 몇 개의 방사선 광선들만이 도 4a 에 도시된다.

x-y 평면에 도시된 바와 같이, 하나의 방사선 모드에 대한 반사각이 통상적으로 또다른 방사선 모드에 대한 반사각과 서로 같지 않을 것이라는 것은 당해분야에 잘 알려져 있다. 고차수의 모드광선 (61a) 는, 저차수 모드 광선 (61b) 이, 도 4c 에 도시된 바와 같이, 더 큰 반사각 (즉, 40°) 으로 전파할 때, 도 4b 에 도시된 바와 같이 더 적은 반사각 (즉, 10°) 으로 광섬유 (60) 를 따라서 전파한다. 게다가, 내측 클래딩 (62) 의 단면이 원형이기 때문에, 소정 방사선에 대한 반사각은, 방사선이 섬유를 따라서 전파함에 따라, 변화되지 않을 것이다.

더 적은 반사각 (즉, 입사광과 반사광 사이의 각도) 을 갖는 고차수 모드 광선 (61a) 이 섬유 (60) 의 코어 영역을 통과하여, 중심에 위치된 코어를 차단할 수 있음을 도 4b 로부터 알수 있다. 비교해 보면, 더 큰 반사각을 갖는 저차수 모드 광선 (61b) 은 광섬유 (60) 의 중심에 위치된 코어 (64) 를 차단하지 않는다. 더욱이, 광선 (61b) 에 대한 반사각이 변하지 않으므로, 광선 (61b) 에 뒤따르는 어떤 반사된 광선이, 섬유 (60) 의 길이에도 불구하고, 코어 (64) 를 통과하지는 못한다. 즉, 원형 도파관내에서 전파하는 여러 가지 방사선 모드들은 등방적으로 분포되지 않는다.

섬유 단면의 기하학적 형태가 그 모드 분포를 결정하므로, 스니처 등이 종래 주창된 완전한 원형 이중 클래드 섬유 구조를 뛰어 넘어서 매우 향상시켰음을 알수 있다. 이러한 기하학적 구조는 스니처 등에게 등록된 미합중국 특허 제 4,815,079 호에 개시되어 있다. 참증특허의 도 1 에 대응하는 도 5 는 내측 클래딩 층 (72) 으로 둘러싸인 단일모드 코어 (74) 로 구성된 광섬유 레이저 (70) 의 단면을 도시한 것이다. 그 다음으로, 내측 클래딩 층 (72) 은 내측 클래딩 층 (72) 에 대한 반사지수 n₂보다 더 작은 반사지수 n₃를 갖는 외측 클래딩 층 (76) 으로 둘러싸여진다. 또한, 보호층 (77) 이 제공될 수도 있다. 도시된 레이저 구성에 있어서, 코어 (74) 는 내측 클래딩 층 (72) 의 내부에 이심적으로 위치된다.

참증특허에 따르면, 요구된 변위의 양은 내측 클래딩 층 (72) 에서 전파하는 방사선의 실질적인 양이 코어 (74) 에 결합되는 조건에 따라서 결정된다. 이러한 결합은 내측 클래딩층 (72) 내에서 전파하는 방사선이 변경된 위치에서 코어 (74) 를 횡단하여, 코어 (74) 에 의해 흡수된다. 본 실시예에 따른 장치는 약 72% 의 향상된 결합효율을 얻었다.

섬유(70) 중심으로부터의 코어 (74) 변위에 의해 유발된 결합효율의 변화는, 내측 클래딩 (72) 과 같은 원형 도파관내에 존재하는 방사선이 광섬유 (70) 의 단면에 걸쳐 등방적으로 분포되는 것이 아니라, 코어를 둘러싸는 환형 영역내에 다소 존재한다는 사실에, 기인한다. 스니처 등에 의해 개시된 두 번째 실시예는, 연장된 슬랩 형태, 바람직하기로는 직사각형 형태인 내측 클래딩을 가지며, 이는 코어가 위치된 구조물의 최협부를 다수의 모드들이 통과되도록 설계되었다. 이러한 구조는, 70 퍼센트를 초과하는 효율을 나타내어, 종래 기술에 비해 놀랄만큼 성공적이었다.

이전의 이유에 근거하여 볼 때, 불균일한 장을 생성하여, 내측 클래딩의 소정 단면 영역내에 여러 가지 방사선을 집속하는 광섬유 구성은 결합문제를 해결하는데 일반적인 해답이 될 수 있을 것으로 보인다. 또한, 뒤이어, 이 모드 집속 영역내에 코어를 위치시킴으로서, 코어를 횡단하는 모드들의 개수가 증가되어, 마찬가지로 결합효율이 증가되어질 것이다. 그러나, 모든 모드들이 모드에 대해 비등방적으로 도파관내에 위치된 코어에 의해 접근되는 것은 아니다. 최적 결합효율을 얻기위해, 광섬유내에 포함된 모든 방사선 모드들은 섬유 코어를 관통하여야 한다. 그렇치 않으면, 코어를 지나지 않는 그들 모드에 대응하는 출력은 코어내의 활성 도판트에 의한 흡수에 이용될 수 없어, 결합효율이 감소될 것이다.

이는 다시, 도 4b 및 4c 로 잘 설명될 수 있다. 반사각이 증가함에 따라, 대응 방사선이 내측 클래딩 (62) 의 극소 환상 영역 (62') 에 집속됨을 알수 있다. 180°근접한 반사각을 갖는 방사선 모드들을 차단하기 위해, 코어 (64) 를 계면 (68) 로부터 단거리내에 위치시키는 것이 필요할 것이다. 그러나, 코어 (64) 가 계면 (68) 에 더 가깝게 위치될수록, 코어 (64) 를 지나 형성된 통로의 주파수가 더 커지기 때문에, 더 큰 반사각을 갖는 방사선이 바람직하게 흡수된다. 더 작은 반사각을 갖는 방사선은 내측 클래딩 (62) 의 중심을 통과하는데 방사선 전파의 많은 부분들을 소비함으로서, 오정렬된 코어 (64) 에서 그에 비례하는 더 적은 흡수 가능성을 갖는다. 게다가, 코어 (64) 의 방사선 구속능력은 방사선 장의 효과로 인해, 감소된다. 따라서, 분리의 최소거리는 코어 (64) 와 계면 (68) 사이에서 유지되어야 한다. 그러므로, 물리적인 제한들은, 코어에 의해 모든 방사모드들을 차단하기 위해, 원형 도파관내에 코어가 배치되는 것을 허용하지 않을 것이다.

본 발명은 내측 클래딩내에서 균일한 방사선 모드들의 분포를 발생하는 이중 클래드 광섬유 구성을 이용한다. 그러한 구성은 코어를 모든 방사선 도드들에 노출시킨다. 게다가, 기본적으로 코어는, 섬유의 결합효율에 영향을 주지않고 내측 클래딩내 어디든지 위치될 수도 있다. 광섬유의 도파관 영역 또는 내측 클래딩이 논의될 기준을 만족하는 기하학적 구조를 가질 때, 균일한 방사선 장이 발생됨을 알수 있었다.

내측 클래딩의 단면 영역 A_다중모드가 펌프 방사선, 도파관의 개구수 (NA) 및 펌프 소오스의 휘도 (B) (즉, 솔리드 각에 대한 소오스 강도) 에 의해 정해지는 것은 당해분야에 잘 알려져 있다. 내측 클래딩의 단면영역에 대한 식은

A_다중모드= P/[B(NA)²]

로 주어진다.

분명히, 입력 펌프 소오스가 환형 분포에서 (따라서, 2차원 단면 투영에서) 등방적이면서 균일한 것으로 주어지면, 휘도 이론은 기껏해야 내측 클래딩의 전체 단면에 걸쳐 같은 방사선 강도가 단지 유지될 수 있으며, 다른 어떤 곳에서 방사선 강도를 더 낮추는 대가로 그 방사선 강도는 국부적으로 증가될 수 없다고 한다. 또한, 내측 클래딩에서 코어로의 획득가능한 가장 높은 결합효율은 내측 단면영역에 대한 코어 단면영역의 비 (즉, A_코어/A_다중모드) 로 주어진다. 본 발명은 이러한 최적효율이 섬유 도파관 또는 내측 클래딩의 단면이 본 발명에서 개시된 여러 가지 다각형 형태중의 하나일 때 얻어질 수 있음을 나타낸 분석을 제공한다.

도 6 은 본 발명에 따른 광섬유 (130) 의 단면구조 및 기하학적 구조를 도시한 것이다. 일반적으로, 광섬유 (130) 의 세로 부피는 xyz 좌표계 (129) 의 z축을 따라 연장한다. 광섬유 (130) 은 내측 클래딩 (132) 으로 둘러싸인 코어 (134) 로 구성된다. 코어 (134) 는 용융 실리카와 같은 적절한 호스트를 함유하며, 공지된 방법으로 게인물질로 도핑된다. 바람직한 실시예에서, 0.5 중량퍼센트 이하로 존재하는 네오디뮴 (Nd³⁺⁺) 또는 이트륨과 같은 희토류 원소로 도핑된 실리카가 코어 도판트로서 사용된다. 일반적으로, 코어 (134) 의 단면은 원형이나, 이또한 타원과 같은 다른 형태들이 사용될 수도 있다.

내측 클래딩 (132) 은 코어 물질의 반사지수 n₁보다 작은 반사지수 n₂를 갖는 물질을 포함한다. 내측 클래딩 (132) 의 단면형태는 볼록한 다각형 단면형태이다. 또한, 광섬유 (130) 는 내측 클래딩의 반사지수 n₂보다 작은 반사지수 n₃를 갖는 물질로 구성된 외측 클래딩 (136) 을 포함한다. 광 방사선은 내측 클래딩 (132) 과 외측 클래딩 (136) 의 사이의 계면에서의 내부 전반사에 의해 내측 클래딩 (132) 에 구속된다. 내측 클래딩 (132) 은 외측 클래딩 (136) 에 대해 코어로서 기능하여, 방사선을 코어 (134) 에 결합시킨다. 외측 클래딩 (136) 은 원형인 단면이 바람직하며, 저지수의 불화처리된 중합체로 제조하는 것이 바람직하다.

여기서, 비록 다각형은 양면대칭적인 4각형으로 도시되나, 이는 단지 하기 분석을 위해 도시된 것으로, 내측 클래딩 (132) 이 이러한 특정 단면형태에 한정되지 않는 것으로 해석하여야 한다. 이하, 본 발명에 따른 여러 가지 선택적인 단면형태가 개시된다. 어떤 밀폐된 단면형태중의 어떤 하나를 갖는 광섬유 도파관은 광섬유 내에 균일한 방사선 장을 형성하기 위해, 입사하는 다중 모드 광방사선을 유도할 것이다. 균일한 방사선 장은 반사선 장이 광섬유 도파관의 단면을 통하여 일정한 강도를 가질 것이라는 것을 의미한다. 광섬유 (130) 를 통하여 전파하는 방사선은, 내측 클래딩 (132) 단면형태의 기하학적 성질 때문에, 균일한 방사선 장으로 형성된다.

생성된 방사선 장이 균일하기 때문에, 클래딩 (132) 내의 코어 (134) 의 위치에 상관없이, 광섬유 (130) 내부에서 전파되는 모든 광선들은 코어 (134) 내에서 전파하는 시간과 같은 시간 (대략 A_코어/A_다중모드) 을 소비할 것이며, 광선들이 계속 전파됨에 따라 코어 (134) 에서의 흡수량과 같은 양을 보일 것이다. 따라서, 비 A_코어/A_다중모드로 주어진, 광섬유 (130) 의 최적 결합효율이 얻어질 수 있다. 비교해 보면, 최적 결합효율이, 원형 도파관이 사용되면, 전파하는 방사선이 모두 코어를 횡단하지는 않기 때문에, 원형 도파관에 대해 얻어질 수 없다. 단지 균일한 방사선이 광섬유 도파관내에 존재하기만 하면, 최적 결합효율이 얻어질 수 있다.

본 발명은 광섬유 (130) 에서 전파하는 광방사선을 도식적으로 나타낸 도면에 의해 설명될 수 있을 것이다. 본 발명을 설명하기 위해, 그 설명은 내측 클래딩 (132) 이 많은 모드들 (즉, 1000모드이상) 을 지지한다는 가정으로 요약된다. 따라서, 방사선 장의 전파는 표준 광선의 비간섭성 중첩으로 표현될 수 있다. 균일한 방사선 장은 광섬유 (130) 평면의 단면으로 구성된 x-y 투영면에 위치된 광선의 균일한 분포로 도시될 수 있을 것이다.

실시예를 통하여, 제 1 광선 (142) 및 제 2 광선 (142') 는, 도 6 에 도시된 바와 같이, z 방향으로 섬유 (130) 를 따라 전파하면서, 클래딩 (132) 의 계면에서 일련의 전반사를 겪는다. 각각의 반사된 광선은 그 광 경로의 x-y 단면상으로의 2차원 투영으로 표현된다. 광선들은 서로 다른 입사위치와 서로 다른 입사각도로 내측 클래딩 (132) 으로 입사하여, 서로 다른 모들를 수행하기 때문에, 일반적으로 제 1 광선 (142) 및 제 2 광선 (142') 은 계면 (138) 을 따라서 같은 반사각을 갖지 않을 것이다.

광선 142 또는 어떤 다른 광선 142' 의 집적된 x-y 투영은, 광선에 의해 형성된 장이 내측 클래딩 (132) 의 단면을 가로질러 균일하게 분포하기 때문에, 투영면을 균일하게 덮는 경향이 있다. 물리적인 관점에서, 이는 광선 (142) 이 광섬유 (130) 를 따라 전파함에 따라, 광선 (142) 이 코어 (134) 를 횡단하여함을 의미한다. 마찬가지로, 광선 (142') 은, 광선 (142) 에 대한 교차점 위치와 같은 위치에 반드시 있지 않더라도, 코어 (134) 를 횡단할 것이다.

만약, 전파하는 소정 광선에 뒤따르는 모든 반사가 도면에 도시되어진다면, 내측 클래딩 (132) 은 생성된 반사광선을 나타내는 선과 전체적으로 교차하게 된다. 모든 뒤이은 반사들을 도시하는 것은 불가능하며, 내측 클래딩의 특정형태가 균일한 방사선 장을 생성하느냐의 여부도 쉽게 결정될 수 없다. 그러한 결정이 이루어지게 하는 방법으로 뒤이은 반사를 설명하기 위해서는, 서로 다른 설명방법이 사용된다.

또한, 당해분야의 전문가에 잘알려진 바와 같이, 광도파관의 내표면 계면에서 연속적으로 반사된 광선에 의해 뒤이어 발생된 다중 중첩 경로는 연속한 인접 ″가상″ 도파관들의 계면을 가로질러 연장하는 직선 경로로 표시될 수 있다. 각각의 연속적인 가상 도파관은 연속적인 도파관과 가상 도파관과의 공동 계면을 가로질러 이전 도파관의 거울 반사를 수행함으로써 구성된다.

도 7 은 우측면 (114), 상부면 (112) 및 바닥면 (116) 으로 구성된 도파관 코어 (10) 를 도시한 것이다. 광선 (121) (즉, 광선의 x-y 투영) 은 광도파관 코어 (110) 를 따라 전파하며, 뒤이어 일련의 내부 반사로 이루어지는 중첩 경로가 발생한다. 첫 번째 반사된 광선 부분 (123) 은 상부면 (112) 의 반사에 의해 생성된다. 반사각 α 는 입사각과 동일하다. 두 번째 반사된 광선 부분 (125) 은 우측면 (114) 으로부터의 반사에 의해 생성되며, 각 β 로 반사한다.

또한, 전파하는 광선 (121) 과 반사된 광선 부분들 (123 및 125) 은 광선 (121), 첫 번째 반사된 가상 광선 부분 (123a) 및 두 번째 반사된 가상 광선 부분 (125b) 의 3부분으로 이루어지는 직선으로 표현될 수 있다. 광선 부분 (123a) 은 첫 번째 가상 도파관 (110a) 에서 나타나며, 첫 번째 반사된 광선부분 (123) 에 대응한다. 가상 도파관 (110a) 은 상부면 (112) 을 이루는 공통 계면을 가로지르는 도파관 코어 (110)의 거울반사에 의해 구성된다. 또한, 광선 부분 (123a) 은 공통 계면을 가로지르는 광선 부분 (123) 의 거울반사이다. 광선부분 (123a) 에 대한 반사각 α' 는 광선 (123) 에 대한 반사각 α 과 동일하다.

광선 (123a) 은 우측 가상 면 (114a) 상에 입사하여, 두 번째 가상 도파관 (110b) 에 나타나는 두 번째 반사된 가상광선 (125b) 를 생성한다. 가상 도파관 (110b) 은 우측면 (114a) 을 이루는 공통 계면을 가로지르는 가상 도파관 (110a) 의 거울반사에 의해 구성된다. 광선 (125b) 는 도파관 코어 (110) 내의 광선 (125) 에 대응하며, 반사각 β' 는 광선 (125) 에 대한 반사각 β 와 동일하다. 이러한 구성과정이 도파관 코어 (110) 내에서 일어나는 뒤이은 반사에 대해 계속된다. 이하, 광방사선의 전파를 중첩선으로 표현하는 방법 및 그 전파를 직선으로 표현하는 선택적인 방법이 이용된다.

전파하는 광선 (142) 은 도 6 에서 중첩선으로 표시된다. 반사는 그 계면들이 면 (152, 154, 156 및 158) 으로 표시되는 내측 클래딩 (132) 의 내표면에서 일어난다. 면 (152 및 154) 는 정점 (162) 를 형성하며, 면 (154 및 156) 은 정점 (164) 를 형성하고, 면 (156 및 158) 은 정점 (166) 을 형성하며, 면 (158 및 152) 는 정점 (168) 을 형성한다.

내측 클래딩 (132) 내에서, 광선 (142) 이 취하는 광경로는 직선 및 화살표로 표기된, 일련의 반사된 광선부분들로 표현된다. 예를들면, 광선 (142) 은 표면 법선 (144) 에 대해 Φ 의 각으로 다각형 면 (152) 상에 입사한다. 첫 번째 반사된 광선 부분 (142a) 은 표면 법선 (144) 에 대한 각 Φ' 으로 면 (152) 로 출발하며, 여기서 Φ' 는 Φ와 같다. 다음으로, 첫 번째 반사된 광선부분 (142a) 은 면 (154) 에서 반사되어, 두 번째 반사된 광선 부분 (142b) 을 생성한다. 세 번째 반사된 광선부분 (142c), 네 번째 반사된 광선부분 (142d) 및 다섯 번째 반사된 광선부분 (142e) 은 각각 면 156, 158 및 152 의 반사와 유사한 방법으로 생성된다.

네 번째 반사된 광선 부분 (142d) 가 면 (152) 상의 광선 (142) 의 입사점 (152a) 와 다른 위치 (152b) 에 입사하기 때문에, 다섯 번째 반사된 광선부분 (142e) 이 첫 번째 반사된 광선 부분 (142a) 에서와는 달리, 면 (152) 상의 다른 점에서 생성됨을 알수 있다. 따라서, 비록 첫 번째 반사된 광선부분 (142a) 이 코어 (134) 를 횡단하지 않으며, 이 경우에는 다섯 번째 광선인, 뒤이은 반사 광선은, 서로다른 위치에서의 2차원 단면을 가로지르는 연속적인 광선의 반사로 인해, 코어 (134) 를 횡단하지 않는다. 이러한 성질은 결국 코어 (134) 가 광섬유 (130) 내부를 전파하는 모든 광선에 의해 교차될 것임을 확신시키며, 이전에 언급한 바와 같이, 이러한 성질은 내측 클래딩 (132) 에 사용된 바람직한 기하학적 구조의 결과이다.

게다가, 반사가 계속됨에 따라, 반드시 투영면내의 어떤 영역이 광선 (142)에 의해 생성된 연속적인 반사 광선중의 하나에 의해 교차될 것이다. 이는 연속적인 반사가 투영면에서 이전 반사에 기인한 경로와 같지 않기 때문에 발생된다. 따라서, 연속적인 반사는 투영면을 가로질러 ″이동하는″ 경향이 있다. 이러한 설명은 두 번째 광선 (142') 이나 또는 광섬유 (130) 에 입사된 어떠한 또다른 광선에 대해서도 동일하게 유효하다. 그러한 모든 광선들은 투영면의 특정 영역을 통과하는 가능성이 같을 것이며, 모든 광선들이 그 길이에 걸쳐 수차례 교차할 것이다.

광선 (142) 에 의해 수행된 광경로를 직선으로 표현하는 선택적인 방법이 도 8 에 도시된다. 제공된 실시예에서, 광선 (142) 및 첫 번째 반사된 광선 부분 (142a) 은 2개의 선부분으로 도시되며, 그 두개의 선부분은 인접한 가상 다각형 (140a) 의 면 (152) 와 면 (152a) 로 표시된 반사 계면을 가로질러 연속하는 직선을 형성한다. 입사각 Φ 및 반사각 Φ' 는 반사 계면의 반대면 상에 나타난다. 다각형 (140a) 은 면 (152) 을 가로지르는 거울반사로 구성되었다. 따라서, 다각형 (140a) 의 면들과 정점들의 상대적 위치는 원래의 대응 면들과 정점들의 위치로부터 역전된다.

다음으로, 첫 번째 반사된 광선부분 (142a) 은 면 (154a) 상에 입사한다. 이는 광선 (140) 및 첫 번째 반사된 광선 부분 (140a) 에 의해 형성된, 가상 다각형 (140b) 로의, 직선의 연속체인, 두 번째 반사된 광선 부분 (142b) 을 생성한다. 다각형 (140b) 은 면 (154a) 을 가로지르는 다각형 (140a) 의 거울반사에 의해 구성되었다. 따라서, 다각형 (140a) 의 면들과 정점들은 다각형의 면들 및 정점들과 역전되어, 원래의 면과 대칭적이다. 직선의 연장인, 나머지 광선 경로는 가상 다각형 (140c) 을 통과하는 세 번째 반사된 광선 부분 (142c), 가상 다각형 (140d) 을 통과하는 네 번째 반사된 광선 부분 (142d) 및 가상 다각형 (140e) 을 통과하는 다섯 번째 반사된 광선 부분 (142e) 으로 구성된다. 이러한 연속적인 가상 다각형들은 차례로 면 (156b), 면 (157c) 및 면 (154d) 로 정의된 반사 계면들을 가로질러 수행된 일련의 연속적인 거울반사에 의해 구성되었다. 선택적으로는, 다각형 (140d) 은 면 (158b) 를 가로지르는 다각형 (140b) 의 거울반사에 의해 구성될 수도 있다.

다각형 (140a) 과 같은 반사된 다각형들중의 하나를 통과하는 첫 번째 반사된 광선 부분 (142a) 과 같은, 각각의 반사된 광선부분들은 도 6 의 내측 클래딩 (132) 내부에 구속된 반사된 광선을 나타낸다. 반대로, 내측 클래딩 (132) 내의 어떤 반사된 광선부분 (예를들면, 첫 번째 반사된 광선부분(142a)) 의 상대적 위치는 도 8 의 다각형 어레이에서 다각형내의 대응 광선 (예를들면, 다각형 (140a) 에서 첫 번째 반사된 광선부분 (142a)) 의 상대적 위치와 동일하다. 각각의 연속적인 통로가 각 다각형내의 서로 다른 위치에서 발생하면서, 각각의 연속적인 광선부분이 인접 다각형을 통과하는 것으로 도시되므로, 대응하는 반사된 광선부분은 내측 클래딩 (132) 의 단면내에서 서로 다른 위치를 통과하는 것으로 도시된다.

다각형의 기하학적 구조가 다각형들 사이에 ″갭″ 또는 비충진된 공간이 없는 연속적이면서도 무한한 다각형 어레이를 제공하므로, 전파하는 광선의 광경로는, 무수한 반사된 광선부분들을 생성하면서, 모든 방향으로 무한하게 연장될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 만일 이러한 반사된 광선들을 도 6 의 투영면상에 도시하면, 투영면은 최종 도출된 선들로 균일하게 덮이게 될 것이다. 따라서, 전파하는 광선에 의해 수행된 경로를 한정하는 반사된 광선부분들은 투영면에 걸쳐 균일한 공간 분포로 형성된다.

또한, 다각형의 면들에 평행하게 정렬된 전파하는 어떤 광선들이 있을 수도 있다. 그러한 광선들은 그들 자신을 반복한 반사된 광선들을 생성할 것이며, 따라서 투영면을 가로질러 이동하지 않을 것이다. 이러한 광선들은, 광섬유에 존재하는 전체 광선중 극히 일부분만 나타나므로, 이 분석에서는 고려되지 않는다. 현실적 관점에서, 회절 및 장치 결함은 다각형 면에 정확하게 평행한 광선이 실제로 실현될 수 없을 것이라는 것을 보장한다

유사한 설명이 면 (156) 으로부터 전파하여 면 (154) 상에 입사하는 두 번째 광선 (142') 에 의해 수행된 광경로에 대해 이루어질 수 있다.. 이러한 광경로는 다각형내에 나타나나, 광선 (142) 에 의해 취해진 광경로와는 달리, 다각형 (140f), 다각형 (140g) 및 다각형 (140h) 을 통과한다.

두 번째 광선 (142') 에 의해 생성된 반사는, 마찬가지로, 투영면을 균일하게 덮을 것이나, 광선 (142) 에 의해 생성된 반사의 결과로 얻은 반사된 광선의 패턴과는 서로 다른 패턴으로 덮이게 될 것이다.

요약하면, 광섬유내를 대량의 광선으로 전파하는 다중모드 광 방사선이 유도되어, 균일한 방사선 장이 형성된다. 이는 내측 클래딩 (132) 의 단면 형태로 사용된 볼록한 다각형의 성질에 기인한다. 내측 클래딩 (132) 의 단면을 포함하는 평면상으로 2차원 투영으로 투사할 때, 각 광선의 반사부분들에 의해 생성된 공간 분포 패턴은 균일한 분포이다.

만일 전파하는 방사선에서의 모든 출력이 코어 도판트에 의해 흡수가 가능하게 형성될 수 있다면, 균일한 방사선 장이 필요하다. 균일한 장은 각각의 방사선 모드를 코어에 주기적으로 횡단시켜, 그 출력의 일부를 도판트로 전달되도록 한다. 코어에 결합된 총 출력량은, 결합과정에 이용된 섬유의 길이 및 총 흡수를 원하는 길이에서 실질적으로 얻기 위한 공지된 방법으로 조절될 수 있는 농도-길이 곱에 관련된다.

또한, 이러한 공간 분포의 각 패턴들은 내측 클래딩 (132) 의 단면형태로 사용된 볼록한 다각형의 무한 평면배열을 따라 연장하는 직선 광선으로 표현될 수도 있다. 소정의 전파하는 광선에 대해, 내측 클래딩 (132) 내의 각각의 반사된 광선부분들은 배열된 다각형들 중의 하나에 나타나는 광선부분들중의 하나와 동일하다.

광선의 직선 표시가 일련의 무한배열된 동일 다각형들을 통과할 때, 광선은 광섬유 내측 클래딩내에 반사된 광선들의 균일한 공간 분포를 생성할 것이다. 광선의 평면을 다각형의 무한 배열로 채우거나 타일처럼 붙일 때, 모든 광선의 직선 표시들은 일련의 무한 배열된 다각형들을 통과할 것이다. 따라서, 인접 다각형들과의 사이에 공간이 존재하지 않도록, 평면을 다각형들의 배열로 타일처럼 붙일 때, 이러한 다각형 형태의 단면을 갖는 내측 클래딩은 구속된 방사선으로부터 균일한 장을 생성할 것이다.

모든 볼록한 다가형들이 다각형 거울반사의 평면배열이 평면에 완전히 채워지는 성질을 갖는 것은 아니다. 비타일링(non-tiling) 다각형들은 평면에 덮여지지 않은 공간을 남길 것이다. 모든 직선들이 다각형들을 통과하지는 않을 것이다. 비타일링 다각형의 단면형태를 갖는 도파관은, 균일한 장을 형성하기 위해, 입사하는 방사선을 유도하지 않을 것이다. 따라서, 본 발명은 요구되는 이러한 두가지 기준을 만족하는 성질을 갖는 형태의 종류에 관한 것이다.

바람직한 다각형의 형태에 대한 첫 번째 기준은 단면형태의 거울반사를 반복시켜 형성된 평면 배열로 완전히 평면을 채우는 요구조건으로부터 도출될 수 있다. 이러한 기준의 수행은 연속적인 입사광선의 반사가 광선의 전파를 소정의 초기방향으로 방향지워지도록 입증될 것이라는 것을 보장한다. 이는 인접 다각형 형태들 사이에 ″채워지지 않은 공간″ 이 없는 것을 필요로 한다. 첫 번째 기준에 대한 첫 번째 추론은 곡면 또는 볼록한 정점 각을 갖는 어떤 형태가 고려대상에서 제외되는 것이다. 따라서, 요구된 단면 형태는 3개 이상의 면들을 갖는 볼록한 다각형이다.

두 번째 추론은 각 정점 각도가 360°의 정수 제수이어야 한다는 것이다. 이는 인접 다각형들이 공통점을 공유한다는 첫 번째 관찰 (noting) 로부터 설명될 수 있다. 예를들면, 정점 162, 162a, 162b, 162h, 162g 및 162f 는 모두 도 8 의 다각형 배열에서, 'A' 로 표기된 공통점에서 만난다. 유사하게, 정점 166b, 166c 및 166d 는 모두 공통점 ″B' 에서 만나며, 정점 168b, 168d, 168j 및 168h 는 모두 배열에서 공통점 'C' 에서 만난다. 게다가, 공통점에서의 각 정점 각도는 같은 공통점에서의 각 정점각도와 동일하다. 따라서, 어떤 공통점에서 정점 각도의 합은, 만약 다각형들 사이에 채워지지 않은 공간이 없으면, 360°와 같아야 한다. 다음으로, 정점 각도는 360°의 정수 제수이어야 한다. 조사에 의하여, 공통점 'A' 에서 여섯 개의 정점 각도 각각은 60°와 같아야 하며, 공통점 'B' 에서 세 개의 정점 각도 각각은 120°와 같아야 하며, 공통점 'C' 에서 여섯 개의 정점 각도 각각은 90°와 같아야 한다.

두 번째 기준은 세 개 또는 그 이상의 정점이 제공된 공통점을 더 조사하여 이루어진다. 공통점을 둘러싼 다각형들은 공통점을 일련의 반사에 대한 회전중심으로 이용하며 초기 다각형으로 시작하는 일련의 다중 반사에 의해 생성되어진 것으로 나타내어질 수 있다. 예를들면, 공통점 B 를 둘러싸는 세 개의 다각형중 두 개는 다각형 (140c) 을 생성하기 위한 면 (156b) 를 가로지르는 첫 번째 거울반사 및 다각형 (140d) 을 생성하기 위한 면 (157c) 를 가로지르는 두 번째 거울반사에 의해 다각형 (140b) 로부터 생성되는 것으로 나타내어질 수 있다. 면 (158d) 를 가로지르는 세 번째 거울반사로 원래 다각형 (140b) 가 얻어질 것이다. 즉, 공통점 B 둘레의 초기 다각형 (140b) 의 세 개의 반사는 그 초기 다각형 (140b) 자체에 맵핑된다. 게다가, 이러한 맵핑을 수행하는데 요구된 반사의 횟수는 공통점을 둘러싸는 정점의 수와 동일하다. 주어진 실시예에서는, 360°를 정점 각도 120°로 나누면 3이 되므로, 3개의 반사가 요구된다. 따라서, 다각형 형태에 대한 두 번째 기준은, 일련의 k_j거울반사가 360°를 나눈 값과 같은 정점으로 수행될 때, 다각형 자체에 맵핑되어질 것을 요구한다.

위에서 논의된 2가지 기준은 N면의 다각형 (170) 으로 도시된 도 9 의 다이아그램을 참조하여 좀더 일반적으로 설명될 수 있다. 다각형 (170) 은 면들 s_i및 정점 V_i를 가지며, 여기서 1≤i≤N이다. 게다가, 정점 V_i+1는 면 s_i및 s_i+1에 의해 형성된다. 조사해보면, 다각형 (170) 이 닫혀 있기 때문에, 정점 V_i가 면 S_N및 면 S_i에 의해 형성됨을 알수 있다. 상술한 기준에 따르면, N면의 볼록한 다각형 (170) 의 V_i의 정점각도 θ_i가 k_i≥3 에서, θ_i=360°/k_i인 조건을 만족하여야 한다. 상기 조건을 만족하는 정점 각도는 360°의 정수 제수이며, 예를들면, 120°, 90°, 72°, 60°, 45°..... 이다.

두 번째 기준에 따르면, N면의 볼록한 다각형 (170) 은 일련의 k_j반사가 소정의 정점 V_j에 대해 수행될 때, 그 자체에 맵핑되는 성질을 더 갖는다. 이러한 일련의 반사는 면 s_j를 가로지르는 두 번째 반사, 면 s_j+1를 가로지르는 두 번째 반사, 면 s_j를 가로지르는 세 번째 반사, 및 일련의 k_j반사가 완결될 때까지 면 s_j+1와 s_j를 교대로 가로질러 수행된 후속 반사를 포함할 것이다.

요약하면, 본 발명은, 다수의 그러한 다각형이 평면에 모자이크로 깔리거나 타일로 붙이는데 사용되는 경우, 인접 다각형들 사이에 오버랩핑이나 방해하는 공간이 없이, 모든 다각형들이 가용공간을 채워, 맞출 수 있으며, 모든 다각형들이 소정의 공통점에 대해 서로 거울이미지가 될 수 있는 조건을 만족하는 볼록한 다각형 단면형태를 갖는 도파관의 종류에 관한 것이다.

본 발명에 따른 광케이블의 제조는 예비 성형체 (preform) 를 원하는 단면으로 가공한 후, 당해분야에 공지된 방법으로 그 예비성형체를 인출시켜 달성된다.

상기 두 번째 기준은 적어도 8개의 서로 다른 볼록한 다각형 형태들에 대해 만족되는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 이중 클래드 섬유구조에서 내측 클래딩에 대한 바람직한 실시예들은 3면, 4면 또는 6면을 갖는 다각형 형태의 단면을 갖는다. 예를들면, 3면 다각형의 형태로 단면을 갖는 실시예는 도 10a에 도시된 바와 같은 정삼각형 (182), 도 10b에 도시된 바와 같은 이등변 삼각형 (184), 도 10c에 도시된 바와 같은 30°-60°-90° 삼각형 (186), 및 도 10d에 도시된 바와 같은 30°-60°-90°삼각형 (188) 을 포함한다.

4면의 다각형 형태의 단면을 갖는 실시예는 도 11a 에 도시된 바와 같은, 직사각형 (192), 도 11b 에 도시된 바와 같은 정방형 (192'), 도 11c 에 도시된 바와 같은 60°사방형, 및 도 11d에 도시된 바와 같은 60° 및 120°대향 정점각도를 갖는 대칭 4각형 (196) 을 포함한다. 6면의 다각형 형태의 단면을 갖는 실시예는 도 12에 도시된 바와 같은 정육각형이다. 비록 직사각형 (192) 이 본 발명에서 신규한 것에 기초한 기준을 만족하더라도, 특히 본 발명의 일부분으로 고려되지 않는다.

특정의 응용에 대해 선택된 특정단면은 특정 평면을 갖는 도파관의 물리적 특성과 펌프 소오스로부터의 방사선의 성질을 포함하는 많은 고려 대상에 의존할 것이다. 예를들면, 직사각형 (192) 의 단면을 갖는 도파관은 일방향으로 가장 잘 휠수도 있다. 정방형 (192') 의 단면을 갖는 도파관보다 더 용이할 수도 있으나, 정방형 (192') 의 단면을 갖는 도파관은 육각형 (198) 을 형성하기 위해 원형 예비성형체로부터 제거되는 물질이 더 적다. 특정한 도파관 적재배열이 요구되는 다른 응용에서, 삼각형 단면을 갖는 도파관이 가장 바람직하다.

일반적인 응용에 있어서, 레이저 다이오드 어레이 (210) 은, 도 13 에 도시된 바와 같이, 광섬유 (130) 에 펌프출력을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 일반적으로, 레이저 다이오드 어레이 (210) 의 출력은, 중간 광시스템 (220) 에 의해, 개별 레이저 빔 (212) 의 어레이에서 단일 출력빔 (232) 로 전환될 수도 있다. 광시스템 (220) 은, 포 등에게 등록된 미합중국 특허 제 5,268,978호에 개시된 바와 같이, 광섬유 레이저 및 기하학적인 커플러일 수도 있다. 광시스템 (220) 은, 광섬유 (130) 의 입력단 (131)에서 볼 때, 내측 클래딩 (132) 의 개구수에 부합하는 단일 출력빔 (232) 에 대한 개구수가 얻어지도록 설계된다.

광시스템 (220) 은 하나의 방위각으로, 빔 (212) 의 성장을 감소시키기 위한, 빔 콜리메이터 (222)를 포함한다. 콜리메이트된 후, 레이저 빔 (212) 은 복수개의 도파관 (225)을 통과한다. 각각의 도파관 (225) 은, 정렬블록 (224) 에 의해, 빔 콜리메이터 (222) 로부터 방출되는 레이저 빔 (212) 에 근접 위치된다. 도파관 (225) 의 출력단 (227) 은 소정의 기하학적 형태가 제공되도록 구성된 스택 (226) 에 합쳐진다. 단일 또는 복합 다중 요소 형태일 수 있는 리덕션 (reduction) 렌즈 (228) 는, 도파관 스택 (226) 을 내측 클래딩 (132) 의 단면형태와 같거나 더 작은 이미지로 형성한다. 도시된 실시예에서, 도파관 스택 (226) 의 빔출력은 원형이다. 따라서, 내측 클래딩 (132) 의 단면 형태는 정방형이 바람직하다.

여기서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 여러 가지 변화와 변경이 본 발명으로부터 일탈함이 없이, 본 발명의 범주내에서 이루어질 수 있음은 당해분야의 전문가에게는 명백할 것이며, 첨부된 청구범위의 기재사항은, 본 발명의 범주와 참정신을 포괄하는 것으로서, 그러한 변화와 변경을 포함시키려는 의도이다.

Claims (32)

1. 활성게인 원소들로 선택적으로 도핑된 하나 이상의 코어, 및

   직사각형이 아닌, 볼록한 다각형인 단면형태를 갖고, 상기 다각형이 만약 복수개의 상기 다각형이 타일처럼 붙이기 위해 사용되는 경우, 상기 모든 다각형들이 인접 다각형들 사이에 공간이 존재하지 않으면서도 상기 모든 다각형들이 어떤 공통면에 대해 서로 거울이미지가 되도록 타일링에 결합되는 성질을 가지며, 펌프 에너지가 내측 클래딩의 길이를 따라 전파함에 따라, 그 펌프 에너지를 수용하여 상기 코어로 전달하기 위해, 상기 코어를 둘러싸는 내측 클래딩을 포함하는 것을 특징으로 하는 게인 응용물에 사용하기 위한 광섬유 구조물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코어는 단일 모드 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 코어가 0.5 중량퍼센트까지의 희토류 도판트를 함유하는 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 다각형의 첫 번째 정점각도가 360°의 정수 제수인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 첫 번째 정점각도가 약 120°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 다각형의 두 번째 정점각도가 대략 120°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 다각형이 정육각형인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 다각형의 두 번째 정점각도가 대략 60°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 다각형은 사방형인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 다각형은 대칭 사변형인 것인 특징으로 하는 광섬유 구조물.
11. 제 4 항에 있어서, 상기 첫 번째 정점각도가 대략 90°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 다각형의 두 번째 정점각도가 대략 90°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 다각형의 두 번째 정점각도가 대략 60°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 다각형이 삼각형인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
15. 제 4 항에 있어서, 상기 첫 번째 정점각도가 대략 60°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 다각형의 두 번째 정점각도가 대략 60°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 다각형이 삼각형인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
18. 제 4 항에 있어서, 상기 첫 번째 정점각도가 대략 45°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 다각형의 두 번째 정점각도가 대략 90°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 다각형이 삼각형인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
21. 제 4 항에 있어서, 상기 첫 번째 정점각도가 대략 30°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 다각형의 두 번째 정점각도가 대략 30°인 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 다각형이 삼각형을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
24. 제 1 항에 있어서, 상기 내측 클래딩을 둘러싸는 외측 클래딩을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 외측 클래딩은 저지수의 플루오르화 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
26. 제 24 항에 있어서, 상기 내측 클래딩 수용면의 개구수가 대략 0.4가 되도록, 상기 내측 클래딩의 반사지수가 상기 외측 클래딩의 반사지수보다 더 큰 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
27. 제 1 항에 있어서, 상기 코어의 농도-길이 곱이 상기 코어를 따라 광섬유 구조물의 결합효율에 대한 순수 게인이 얻어지도록 조절되는 것을 특징으로 하는 광섬유 구조물.
28. 펌프 소오스;

    활성게인 원소들로 선택적으로 도핑된 하나 이상의 코어와, 상기 코어를 둘러싸며, 펌프 에너지가 길이를 따라 전파함에 따라, 그 펌프 에너지를 수용하여 상기 코어에 전달하기 위한 내측 클래딩을 포함하고, 이 내측 클래딩이 직사각형이 아닌, 볼록한 다각형인 단면형태를 갖고, 만약 복수개의 상기 다각형이 타일처럼 붙이기 위해 상기 다각형이 사용되는 경우, 상기 모든 다각형들이 인접 다각형들 사이에 공간이 존재하지 않으면서도 상기 모든 다각형들이 어떤 공통면에 대해 서로 거울이미지가 되도록 타일링에 결합되는 성질을 가지는 광섬유 구조물; 및

    상기 광섬유 구조물과 상기 펌프 소오스의 사이에 있으며, 상기 방사선의 개구수가 상기 광섬유 구조물의 광학적 특성에 밀접하게 결합되도록 상기 펌프 소오스에 의해 생성된 방사선을 수렴하기 위해, 펌프 소오스 방사선을 상기 내측 클래딩에 이미지화하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 게인 시스템.
29. 레이저 다이오드 어레이,

    활성게인 원소들로 선택적으로 도핑된 하나 이상의 코어와, 상기 코어를 둘러싸며, 펌프 에너지가 길이를 따라 전파함에 따라, 그 펌프 에너지를 수용하여 상기 코어에 전달하기 위한 내측 클래딩을 포함하고, 직사각형이 아닌, 볼록한 다각형인 단면형태를 갖고, 만약 복수개의 상기 다각형이 타일처럼 붙이기 위해 상기 다각형이 사용되는 경우, 상기 모든 다각형들이 인접 다각형들 사이에 공간이 존재하지 않으면서도 상기 모든 다각형들이 어떤 공통면에 대해 서로 거울이미지가 되도록 타일링에 결합되는 성질을 가지는 광섬유 구조물;

    상기 레이저 다이오드 어레이의 출력을 결합된 방사선 출력으로 변환하기 위해, 상기 광섬유 구조물과 상기 레이저 다이오드 어레이의 사이에 있는 광결합 수단; 및

    상기 결합된 방사선 출력의 개구수가 상기 광섬유 구조물의 광학적 특성에 밀접하게 결합되도록 상기 결합된 방사선을 집속하기 위해, 상기 결합된 방사선 출력을 상기 내측 클래딩에 이미지화하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 게인 시스템.
30. 활성게인 원소들로 선택적으로 도핑된 하나 이상의 코어, 및

    사각형 단면형태를 갖고, 펌프 에너지가 상기 내측 클래딩의 길이를 따라 전파함에 따라, 그 펌프 에너지를 수용하여 상기 코어에 전달하기 위해, 상기 코어를 둘러싸는 내측 클래딩을 포함하는 광섬유 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 게인 응용물용 광섬유 구조물.
31. 펌프 소오스;

    활성게인 원소들로 선택적으로 도핑된 하나 이상의 코어와, 상기 코어를 둘러싸며, 사각형 단면형태를 갖고, 펌프 에너지가 길이를 따라 전파함에 따라, 그 펌프 에너지를 수용하여 상기 코어로 전달하도록 하는 내측 클래딩을 포함하는 광섬유 구조물; 및

    상기 광섬유 구조물과 상기 펌프 소오스의 사이에 있으며, 상기 방사선의 개구수가 상기 광섬유 구조물의 광학적 특성에 밀접하게 결합되도록 상기 펌프 소오스에 의해 생성된 방사선을 수렴하기 위해, 펌프 소오스 방사선을 상기 내측 클래딩에 이미지화하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 게인 시스템.
32. 레이저 다이오드 어레이;

    활성게인 원소들로 선택적으로 도핑된 하나 이상의 코어와, 상기 코어를 둘러싸며, 사각형 단면형태를 갖고, 펌프 에너지가 길이를 따라 전파함에 따라, 그 펌프 에너지를 수용하여 상기 코어에 전달하도록 하는 내측 클래딩을 포함하는 광섬유 구조물;

    상기 레이저 다이오드 어레이의 출력을 결합된 방사선 출력으로 변환하기 위해, 상기 광섬유 구조물과 상기 레이저 다이오드 어레이의 사이에 있는 광결합 수단; 및

    상기 결합된 방사선 출력의 개구수가 상기 광섬유 구조물의 광학적 특성에 밀접하게 결합되도록 상기 결합된 방사선을 집속하기 위해, 상기 결합된 방사선 출력을 상기 내측 클래딩에 이미지화하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 게인 시스템.

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