KR100241660B1 - 광섬유 편광 조절장치 - Google Patents

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Abstract

광섬유 편광 조절장치를 한 가닥의 광섬유 형태로 구현하여 장치의 경박단소화를 실현한 광섬유 편광 조절장치에 관하여 개시한다. 본 발명의 광섬유 편광 조절장치는, 복굴절 성질을 갖는 제1 광섬유 절편과; 상기 제1 광섬유 절편과 더불어 광을 전송할 수 있도록, 상기 제1 광섬유 절편의 단부와의 접합부를 가지는 단일 모드의 제2 광섬유와; 상기 제1 광섬유 절편 양측의 상기 제2 광섬유 상의 소정 위치를 고정하여, 상기 제2 광섬유의 축방향 둘레로 비트는 회전수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성을 갖는 광섬유 편광 조절장치는 전체가 한 가닥의 광섬유로 이루어지고, 삽입되는 광섬유 절편의 복굴절률의 차이에 대응한 길이조절을 통하여 적절한 위상지연을 실현하므로 편광 조절장치의 소형화를 실현할 수 있다. 또한, 광섬유 가닥의 측부에 기계적 압력을 가하여 복굴절을 일으키는 종래 기술의 편광 조절장치와는 달리 복굴절 발생과 관련하여 기계적 충격을 가하지 않으므로 수명이 길고 사용도 편리하다는 이점을 갖는다.

Description

광섬유 편광 조절장치
본 발명은 광섬유 편광 조절장치에 관한 것으로서, 특히 광섬유 편광조절장치를 한 가닥의 광섬유 형태로 구현하여 장치의 경박단소화를 실현한 광섬유 편광 조절장치에 관한 것이다.
광파는 직교하는 전장과 자장을 가지는 전자기파로서, 광파의 전장벡터의 진동방향이 규칙적인 광 및 그 상태를 총칭하여 편광이라 한다. 이를 분류하면, 광파의 진행방향에 수직인 면 내에서 전장벡터 E가 일정한 방향을 가진 경우에는 직선편광, 규칙적인 원진동을 하는 경우 원편광, 타원진동을 하는 경우 타원편광이라고 한다.
이러한 광의 편광상태는 광통신에서 많은 문제를 야기하는데, 여기에는 광소자에서의 광의 편광상태변화에 따른 광신호 특성의 변화, 전송시 광신호의 열화(劣化) 등이 포함된다. 따라서, 광통신에서 편광을 원하는 상태로 조절하는 것은 매우 중요한 일이며, 이러한 용도로 사용되는 편광 조절장치는 광통신 시스템, 예컨대 편광의존성이 큰 리튬 니오베이트(LiNbO3) 등을 소자로 사용하는 시스템에서 구성요소로서 중요한 역할을 한다. 한편, 외부 모듈레이터(external modulator)를 사용하는 시스템에서는, 특히 인 라인(in-line) 편광 조절장치가 이러한 용도에 적절하다.
상기 편광 조절장치의 원리는 2개의 상호 직교(orthogonal)하는 위상지연기를 사용하여 원하는 광의 편광상태를 구현하는데 있다. 이러한 위상지연기에는 2개의 4분의 1 파장판(quarter waveplate)이 이용될 수 있다.
도 1은 편광상태의 변화를 포앙까레의 구(Poincare Sphere) 상에 나타낸 도면으로서, 포앙까레의 구를 이용하여 광의 편광상태를 나타내면 간편하다.
여기서, 구 위의 임의의 점은 광의 편광상태에 대응한다. 한편, 구 위의 임의의 좌표는 2개의 기저(basis)에 의해 표현될 수 있기 때문에, 기저로서 만약 2개의 직교하는 회전축이 있으면, 구 위의 임의의 점을 다른 점으로 옮겨 놓을 수 있다. 이는 광의 임의의 편광상태를 또 다른 임의의 편광상태로 바꿀 수 있음을 의미한다. 편광 조절장치에 사용되는 2개의 4분의 1 파장판은 상기 2개의 회전축 역할을 한다.
따라서, 편광 조절장치에 복굴절 성질을 가진 2개의 4분의 1 파장판을 사용한다면, 두 개의 복굴절판의 축을 회전시킴으로써, 방위각(azimuthal angle)과 극각(polar angle)에 있어서 각각 회전하게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력 편광상태(a)가 원하는 출력 편광상태(b)로 바뀔 수 있게 된다. 참고로, 선형 편광상태는 포앙까레 구 위의 적도상(c)에 위치하며, 원편광은 각 극(pole)(d)에 위치하게 된다.
다음, 광섬유를 이용하여 상기 편광 조절장치를 구현하는 종래 기술에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에 도시된 편광 조절장치는 H.C.르뻬브르에 의해 일렉트로닉스 레터스(9/25/1980)의 제16권 제20호에서 개시된 것으로서, 만곡에 의해 발생된 내부 응력을 이용함으로써, 광섬유 내부의 굴절지수의 변화를 야기하도록 단일 모드 광섬유(1)가 적절한 직경의 보빈(10)의 둘레에 감겨져 있다. 보빈(10)이 R 방향으로 회전함에 따라 복굴절 주축(principal axis)도 동시에 회전하므로, 편광된 입사광(Pin)은 통과광(Pout)에서 원하는 편광상태를 갖도록 조절되게 된다. 광섬유(1)의 입사광부(2A)와 통과광부(2B)는 외부 고정부재에 의해 고정된다.
상기 구조와 같이 편광 조절장치를 구성하는 경우에는, 만곡에 따른 직경이 1.55㎛ 내지 수 ㎝ 정도의 크기를 가지기 때문에, 광섬유에 과도한 응력이 발생하거나 부피가 커지는 단점이 있다. 부피가 커지는 경우, 일반적인 회로기판에 탑재할 수 없다는 문제점이 있다.
도 3은 종래 기술의 다른 광섬유 편광 조절장치의 사용상태를 나타낸 단면도이다. 이 편광 조절장치는 광섬유(31)의 측부에 접촉할 수 있는 나사(32)를 마련하고, 나사(32)에 의해 광섬유에 기계적인 응력을 가함으로써 발생하는 복굴절을 이용하는 것이다. 그러나, 이러한 편광 조절장치는 광섬유에 일정한 충격을 가해야 한다는 점에서 광섬유의 수명이 단축되는 문제점이 있다. 또한, 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 편광을 조절하기 위해서는 두 개의 직교하는 축이 있어야 하는데, 이 편광 조절장치의 경우 각도를 달리하여 누르는 방법을 통해 이를 구현하기 때문에 도 3의 X-Y 방향의 응력을 푼 후 방향을 돌려 다시 X'-Y'방향으로 응력을 가하여야 한다. 따라서, 사용상 불편할 뿐 아니라, 잠재적으로 전체 소자의 수명을 단축시킨다는 문제점이 있다.
한편, 10Gbps(Giga bits per second) 이상의 데이터 전송률을 가지는 시스템의 외부 모듈레이터로서 편광의존성이 큰 리튬 니오베이트(LiNbO3)를 사용하는 경우, 입력광에 대해 특정 편광을 맞춰 주어야만 원활한 동작이 이루어진다. 그러나, 이 시스템에 상기한 종래 기술과 같은 편광 조절장치를 사용할 경우, 부피가 커져서 전자 회로기판에 탑재할 수 없게 되거나, 잦은 기계적 충격에 의해 수명이 단축되는 문제점이 발생하게 된다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광섬유에 기계적 충격을 가하지 않음으로써 수명을 향상시킬 수 있으면서도 사용이 간편한 광섬유 편광 조절장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 전자 회로기판에 탑재할 수 있을 정도로 경박단소화 된 광섬유 편광 조절장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 저가의 비용으로 광섬유 편광 조절장치를 구성할 수 있도록 광섬유 가닥 전체를 편광유지 광섬유로 사용하지 않아도 되게 하는 데 있다.
도 1은 편광상태의 변화를 포앙까레의 구(Poincare Sphere) 상에 나타낸 도면,
도 2는 종래 기술의 광섬유 편광 조절장치의 사시도,
도 3은 종래 기술의 다른 광섬유 편광 조절장치의 사용상태를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 편광 조절장치의 광섬유 부분만을 확대하여 나타낸 부분사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 편광 조절장치의 광섬유 부분만을 나타낸 분해사시도,
도 6은 본 발명의 광섬유 부분을 전자 회로기판에 탑재시키기 위해 사용되는 고정장치의 개략도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 편광 조절장치는, 복굴절 성질을 갖는 제1 광섬유 절편과; 상기 제1 광섬유 절편과 더불어 광을 전송할 수 있도록, 상기 제1 광섬유 절편의 단부와의 접합부를 가지는 단일 모드의 제2 광섬유와; 상기 제1 광섬유 절편 양측의 상기 제2 광섬유 상의 소정 위치를 고정하여, 상기 제2 광섬유의 축방향 둘레로 비트는 회전수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 접합부는 용융 스프라이싱 또는 기계적 스프라이싱에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 반드시 상기 접합방법에만 한정되는 것은 아니고, 전송되는 광이 비교적 적은 손실로 전송될 수 있는 방법으로 접합될 수 있으면 된다.
또한, 상기 제1 광섬유 절편은 적어도 2개 이상으로 설정할 수 있으며, 이 경우, 상기 제1 광섬유 절편의 각각이 4분의 1 파장판 역할을 할 수 있도록 복굴절률의 차이에 대응한 길이조절이 이루어지게 할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 광섬유 편광 조절장치는, 복굴절 성질을 갖는 2개의 제1 광섬유 절편과; 상기 제1 광섬유 절편과 더불어 광을 전송할 수 있도록, 상기 제1 광섬유 절편 각각의 한쪽 단부와의 접합부를 가지며 외측으로 각각 연장된 2가닥의 단일 모드의 제2 광섬유와; 상기 접합부 근방 및 상기 제1 광섬유 절편의 각각을 자신의 내부로 삽입시켜 부착하게 하는 동시에, 상기 제1 광섬유 절편의 대향 단부를 맞닿게 정렬시키는 한 쌍의 페룰과; 상기 한 쌍의 페룰을 끼워 고정시키는 슬리브와; 상기 제2 광섬유 상의 소정 위치를 고정하여, 상기 제2 광섬유의 축방향 둘레로 비트는 회전수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 절단부분의 단부와 제2 광섬유 절편은 용융 스프라이싱 또는 기계적 스프라이싱을 통해 접합되는 것이 바람직하다. 그러나, 반드시 상기 접합방법에만 한정되는 것은 아니고, 전송되는 광이 비교적 적은 손실로 전송될 수 있는 방법으로 접합될 수 있으면 된다. 또한, 상기 제1 광섬유 절편의 각각이 4분의 1 파장판 역할을 할 수 있도록 복굴절률의 차이에 대응한 길이조절이 이루어지게 할 수도 있다.
본 발명의 실시예로서, 2개의 위상 지연수단의 각각이 전송되는 광의 각 편광상태에 대해 90°의 위상차를 발생시키는 것으로 할 수 있으며, 이러한 90°의 위상차를 발생시키기 위해 위상지연 수단의 각각은 상기 전송되는 광에 대해 4분의 1 파장판의 역할을 하도록 할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 편광 조절장치에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 편광 조절장치의 광섬유 부분만을 확대하여 나타낸 부분사시도이다.
본 실시예에 있어서, 제1 광섬유 절편(110, 120)은 복굴절 성질을 갖는 광섬유로 되어 있으며, 제2 광섬유(100)와 더불어 광을 전송할 수 있도록 각 단부(f)에서 접속되어 한 가닥의 광섬유 형태를 이루고 있다. 제2 광섬유(100)는 단일 모드인 보통의 광섬유로 되어 있다. 제2 광섬유(100)를 다중 모드 광섬유로 선택하지 않고 단일 모드 광섬유로 한 이유는 제1 광섬유 절편(110, 120)에 입사되는 광의 편광상태를 일정하게 조절할 수 있어야 하기 때문이다. 한편, 제2 광섬유(100)의 절단부분의 단부(f)와 제2 광섬유 절편(110, 120)은 전기적 아크(arc)에 의해 광섬유 끼리를 용융하게 하여 접합시키는 용융접합(fusion splicing)에 의해 연결하였다.
편광 조절장치의 기능을 수행하기 위해서, 제1 광섬유 절편(110, 120)의 재질은 높은 복굴절률을 갖는 광섬유로 선택되었으며, 제1 광섬유 절편(110, 120)의 각각은 전송되는 광의 편광상태에 대해 4분의 1 파장판 역할을 수행할 수 있도록, 복굴절률에 맞춰 절편의 길이를 결정하였다. 따라서, 본 실시예에서, 제1 광섬유 절편(110, 120)의 길이는 대략 1㎜로, 절편의 복굴절률에 있어서 복굴절축에 따른 굴절률의 차이는 Δn=10-4이 되도록 구성하였다.
상기한 바와 같은 구성에서, 레이저 다이오드(도시생략) 등의 광원으로부터 제2 광섬유(100)와 제1 광섬유 절편(110, 120)을 통과하여 전송되는 광은 그 편광상태에 따라 제1 광섬유 절편(110, 120)의 복굴절에 따른 위상지연을 일으키게 된다. 본 실시예에서는, 제1 광섬유 절편(110, 120)을 2개 마련하고, 복굴절률의 차이에 대응한 길이 조절을 하여 제1 광섬유 절편(110, 120)의 각각이 4분의 1 파장판 역할을 하도록 하였으므로, 통과광의 각 편광상태는 90°의 위상차(phase difference)를 가지게 된다. 이 때, 제1 광섬유 절편(110, 120)의 양쪽 외측부에 있는 제2 광섬유(100) 상의 위치를 고정하여 제2 광섬유(100) 축 둘레로 비트는 방법을 통하여, 어떤 편광상태를 가진 광이 입사하더라도, 그 편광을 조절할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 편광 조절장치의 광섬유 부분만을 나타낸 분해사시도로서, 특히 도 4의 제1 광섬유 절편(110, 120) 사이에 있는 제2 광섬유 조각을 생략하여, 광섬유 편광 조절장치를 더욱 소형화할 수 있게 한 상태를 나타내는 도면이다.
이 실시예에서는, 복굴절 성질을 갖는 2개의 제1 광섬유 절편(502, 504) 각각의 한 쪽 단부와 단일 모드의 제2 광섬유(500)가 용융 스프라이싱에 의해 접합되어 있다. 또한, 제2 광섬유(500)의 단부 근방과 제1 광섬유 절편(502, 504)을 자신의 내부에 삽입하게 하여 정렬시키는 한 쌍의 페룰(ferrule)(506, 508)이 원통형의 슬리브(sleeve)(510)에 끼워져 고정된다. 도시의 편의를 위해, 슬리브(510)는 길이방향으로 절개하여 도시하였다. 제1 광섬유 절편(502, 504)은 각각이 4분의 1 파장판 역할을 수행할 수 있도록, 높은 복굴절률을 갖는 재질로 선택하며, 이 복굴절률에 맞춰 각 절편(502, 504)의 길이를 결정한다. 페룰(506, 508)은 일반적인 광섬유 커넥터에 사용되는 것을 이용할 수 있으며, 제1 광섬유 절편(502, 504)을 끼워 고정시키는 동시에 정렬시키는 역할도 한다. 페룰(506, 508)의 재질로는 스테인레스 스틸, 알루미나, 또는 지르코니아(zirconia) 등이 사용될 수 있으나, 본 실시예에서는 스테인레스 스틸 재질을 사용하였다. 한편, 제1 광섬유 절편(502, 504) 간에는 스프라이싱에 의한 접합을 이용할 필요 없이, 그대로 이들을 맞닿게 하여도, 페룰(506, 508) 및 슬리브(510)를 이용하기 때문에 광손실은 별로 없다.
도 6은 도 4의 제1 광섬유 절편(110, 120)과 제2 광섬유(100)를 한 가닥의 광섬유로 만든 다음, 이를 전자 회로기판에 탑재시키기 위해 사용되는 고정장치의 개략도로서, 상기 한 가닥으로 이루어진 광섬유는 내부가 비어있는 실린더형 고정장치를 길이방향으로 관통하여 지나가게 된다. 도 6의 (a)는 광섬유 길이방향에 대한 측면도, (b)는 평면도, (c)는 정면도이다. 도 6에 도시된 고정장치는 전자 회로기판에 탑재될 수 있는 정도의 크기인 10㎝(길이)×1.7㎝(폭)×1.9㎝(높이)의 크기로 소형화할 수 있었다.
상기와 같은 방법으로 제조된 광섬유 편광 조절장치의 성능을 분석한 결과, 제2 광섬유 절편의 삽입에 따른 삽입손실은 0.5dB 이하, 후반사(back reflection)는 -60dB 이하의 성능을 나타내었고, 편광소광(polarization extinction)은 -45dB 이상으로 편광을 조절할 수 있었다. 또한, 제2 광섬유의 부분은 일반 통신용 광섬유이기 때문에 피그테일(pig tail)로 만들어 주는 경우, 그 일단에 연결된 커넥터를 통하여 레이저 다이오드 등과도 쉽게 접속할 수 있다.
복굴절을 유도하기 위해 광섬유를 구부리기 위한 장치를 구비해야 하는 종래 기술과는 달리, 본 발명에 따르면, 전체가 한 가닥의 광섬유로 이루어지고, 삽입되는 광섬유 절편의 복굴절률의 차이에 대응한 길이조절을 통하여 위상지연을 실현하므로 편광 조절장치의 소형화를 실현할 수 있다.
또한, 광섬유 가닥의 측부에 기계적인 압력을 가하며, 그 압력의 방향도 바꾸어 주어야하는 종래 기술의 편광 조절장치에 비해 수명이 길다는 이점을 갖는다.
그리고, 전체의 광섬유 가닥을 편광유지 광섬유로 만드는 경우보다 저렴한 비용으로 시스템을 구성할 수 있다는 이점도 갖는다.

Claims (7)

  1. 복굴절 성질을 갖는 제1 광섬유 절편과;
    상기 제1 광섬유 절편과 더불어 광을 전송할 수 있도록, 상기 제1 광섬유 절편의 단부와의 접합부를 가지는 단일 모드의 제2 광섬유와;
    상기 제1 광섬유 절편 양측의 상기 제2 광섬유 상의 소정 위치를 고정하여, 상기 제2 광섬유의 축방향 둘레로 비트는 회전수단을 구비하는 광섬유 편광 조절장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접합부는 용융 스프라이싱 또는 기계적 스프라이싱에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 편광 조절장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 광섬유 절편은 적어도 2개 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유 편광 조절장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 광섬유 절편의 각각이 4분의 1 파장판 역할을 할 수 있도록 복굴절률의 차이에 대응한 길이조절이 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 편광 조절장치.
  5. 복굴절 성질을 갖는 2개의 제1 광섬유 절편과;
    상기 제1 광섬유 절편과 더불어 광을 전송할 수 있도록, 상기 제1 광섬유 절편 각각의 한쪽 단부와의 접합부를 가지며 외측으로 각각 연장된 2가닥의 단일 모드의 제2 광섬유와;
    상기 접합부 근방 및 상기 제1 광섬유 절편의 각각을 자신의 내부로 삽입시켜 부착하게 하는 동시에, 상기 제1 광섬유 절편의 대향 단부를 맞닿게 정렬시키는 한 쌍의 페룰과;
    상기 한 쌍의 페룰을 끼워 고정시키는 슬리브와;
    상기 제2 광섬유 상의 소정 위치를 고정하여, 상기 제2 광섬유의 축방향 둘레로 비트는 회전수단을 구비하는 광섬유 편광 조절장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 절단부분의 단부와 제2 광섬유 절편은 용융 스프라이싱 또는 기계적 스프라이싱을 통해 접합된 것을 특징으로 하는 광섬유 편광 조절장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 광섬유 절편의 각각이 4분의 1 파장판 역할을 할 수 있도록 복굴절률의 차이에 대응한 길이조절이 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 편광 조절장치.
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