KR100251611B1

KR100251611B1 - 광파이버그레이팅제조방법

Info

Publication number: KR100251611B1
Application number: KR1019980015463A
Authority: KR
Inventors: 신지 이시카와; 토오루 이와시마; 미치코 하루모토; 아키라 이노우에
Original assignee: 구라우치 노리타카; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1997-05-01
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2000-04-15
Also published as: CN1198412A; US6137931A; KR19980086677A; AU732416B2; EP0877263A3; CA2236347A1; EP0877263A2; DE69833515D1; AU6371298A; DE69833515T2; TW434193B; EP0877263B1

Abstract

본 발명은, 광파이버망내(網內)의 필터, 합분파기(合分波器) 및 분산보상기등에 사용되는 광파이버 그레이팅에 있어서, 초기열화(劣化)의 조건을 보다 간이하고 또한 구체적으로 구해서, 작동시에 있어서의 경시열화를 저감 할 수 있는 광파이버 그레이팅 제도방법을 제공하는 것을 목적으로 한 것이며, 그 해결수단에 있어서, 광파이버에 Ge원소를 첨가해서 소정의 광을 조사해서 그레이팅을 형성한후, 규격화굴절율이 η1로 되기까지 가열처리해서 초기열화를 행한다. 이때, 온도 T 및 시간 t에 대해서 규격화굴절율차 η가

η = t^{-A·exp(-B/T)}

로되는 식에 따른것으로해서, 광파이버 그레이팅의 작동온도 T2, 작동시간 t3 및 허용되는 규격화굴절율차 H의 변화량에 의거해서, 초기열화후의 규격화굴절율차 η1을 구한다. 또한, 초기열화후의 규격화굴절율차 η1을 달성 할 수 있는 초기열화온도 T1 및 초기열화시간 t1도 상기의 식으로부터 구하는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

광파이버그레이팅제조방법

본 발명은, 광파이버망내(網內)의 필터, 합분파기(合分波器) 및 분산보상기 등에 사용되는 광파이버그레이팅의 제조방법에 관한 것이다.

광파이버 그레이팅은, 광파이버의 적어도 코어영역에, 그 광축방향으로 주기적인 굴절율변화를 부여한 것으로서, 파장에 따라서 전반광(傳搬光)을 투과 또는 반사시키는 것이며, 필터, 합분파기 및 분산보상기등의 여러 가지의 응용이 이루어지고 있다. 이 광파이버그레이팅은, 도 11에 표시한바와 같이, 석영계 광파이버의 적어도 코어영역에 미리 Ge(게르마늄)원소를 첨가해두고, 이것에 소정의 파장의 광을 조사시켜서 간섭줄무늬를 형성하고, 그 간섭줄무늬에 의한 광에너지 강도 분포에 따른 굴절율변화를 일으키게 함으로써 형성하는 것이 일반적이다. 여기서, 소정의 파장의 광을 조사함으로써 광파이버속의 Ge결함이 발생해서, 이 Ge결함에의해 굴절변화가 일어나는 것으로 생각되고 있다.

또, 이 Ge결함은 경시변화를 일으키고, 광파이버 그레이팅의 특성은 경시열화하는 것이 알려져 있다. 그래서, 제조직후에 초기열화를 일으키게 함으로써, 시장에 있어서의 작동시에는 경시열화를 충분히 적게시키는 기술이, 일본국 특개평 6-118257호 공보나 동 특개평 7-187695호 공보에 개시되어 있다.

이들에 개시된 기술에 의하면, 규격화굴절율차 η가,

…[3]

되는 관계식에 의해 표시되는 것으로 가정하고 있다. 여기서, t는 시간변수이고, C 및 α 각각은 온도의 함수이다. 규격화굴절율차 η는, 그레이팅형성직후의 굴절율차에 의해 규격화한 시간 t 경과후의 굴절율차, 즉, (시간 t 경과후의 굴절율차)/(그레이팅형성직후의 굴절율차)를 나타낸다. 또, 굴절율차는, 광파이버 그레이팅에 있어서의 굴절율의 최대치 및 최소치의 차를 나타낸다.

그리고, 온도가 높을수록 규격화굴절율차 η가 크게 변화하는 것을 이용해서, 작동온도에 비교해서 고온의 환경하에 있어서 초기열화를 일으키게 함으로써, 작동시에 있어서의 경시열화를 억제하도록 하는 것이다.

그러나, 상기종래기술에서는 수식[3]에 의해 표시되는 규격화 굴절율차 η의 경시변화의 수식에 있어서, C 및 α의 2개의 파라미터가 온도에 의존하고 있다. 따라서, 초기열화에 요하는 온도와 시간을 결정하는 것이 곤란하며, 실제, 상기 문헌에서는 이들 초기열화조건에 대해서의 개시가 충분하게는 이루어져 있지 않다.

본 발명은, 상기문제점을 해소하기 위해 이루어진 것이며, 초기열화의 조건을 보다 간이하게 또한 구체적으로 구해서, 작동시에 있어서의 경시열화를 저감 할 수 있는 광파이버 그레이팅 제조방법을 제공하는 일을 목적으로 한다.

도 1은, 온도 120℃, 170℃, 220℃ 및 280℃ 각각에 있어서의 광파이버 그레이팅의 규격화굴절율차 η의 경시열화(劣化)의 실험치를 표시한 그래프

도 2는, 온도 75℃, 85℃, 100℃ 및 120℃ 각각에 있어서의 광파이버 그레이팅의 규격화굴절율차 η의 경시열화의 실험치를 표시한 그래프

도 3은, 도 1 및 도 2 각각에 표시한 피팅곡선에 있어서의 파라미터 A 및 n을 각 온도에 대해서 표시한 도표

도 4는, 파라미터 n와 온도와의 관계를 표시한 그래프

도 5는, 초기열화를 행하지 않는경우의 규격화굴절율차 η의 예측경시열화를 표시한 그래프

도 6은, 온도 80℃에서 48시간에 걸쳐 초기열화를 행한후의 규격화굴절율차 η의 예측경시열화를 표시한 그래프

도 7은, 초기열화를 행하는 경우의 규격화굴절율차 η의 경시열화의 산출방법의 설명도

도 8은, 초기열화후의 규격화굴절율차 η1과 작동시간 t3 경과후의 규격화굴절율차 H와의 관계를 각 작동온도마다 표시한 그래프

도 9는, 작동시간 t3이 25년에서 규격화굴절율차의 변화량(1-H)이 1%이하가 되기위하여 요구되는 초기열화후의 규격화굴절율차 η1을 각 작동온도 T2에 대해서 표시한 그래프

도 10은, 초기열화온도 T1과 초기열화시간 t1과의 관계를 표시한 그래프

도 11은, 광파이버 그레이팅의 형성방법의 설명도

본 발명에 관한 광파이버 그레이팅 제조방법은 석영계광파이버의 적어도 코어영역에 Ge원소를 첨가하고, 소정의 강도분포의 조사광을 석영계광파이버에 조사해서 그 강도분포에 따른 굴절율변화를 가진 광파이버 그레이팅을 형성하고, 작동온도 T2 및 작동시간 t3의 조건하에 있어서 허용되는 광파이버 그레이팅의 규격화굴절율차 H에 대해서, 수식[1]을 만족하는 값 η1에 규격화굴절율차 η가 도달 할 때 까지 광파이버 그레이팅을 가열처리하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 작동온도 T2는 광파이버 그레이팅의 사용환경하에 있어서의 온도이며, 작동시간 t3은, 광파이버 그레이팅이 사용되는 시간이다. 규격화굴절율차란, 소정의 기준시각에 있어서의 귤절율차에 의해 규격화한 어느 시간 경과후의 굴절율차를 말하고, 굴절율차란, 광파이버 그레이팅에 있어서의 굴절율의 최대치 및 최소치의 차를 말한다. 규격화굴절율차 H는, 작동온도 T2에 있어서 작동시간 t3 경과한후의 굴절율차를 작동전의 굴절율차에 의해 규격화 한 것이며, 규격화굴절율차 η1은, 가열처리후의 굴절율차를 가열처리전의 굴절율차에 의해 규격화 한 것이다. 또, 정수A 및 B 각각은, 온도에 의존하지 않는 1정수이다.

이 광파이버그레이팅제조방법에 의하면, 석영계 광파이버에 형성된 광파이버 그레이팅은, 작동온도 T2 및 작동시간 t3의 조건하에 있어서 허용되는 규격화 굴절율차 H에 대해서 수식①을 만족하는 값 η1에 규격화굴절율차 η가 도달 할 때까지 가열처리되어서 초기열화를 받는다. 이와같이 가열처리된 광파이버 그레이팅의 작동온도 T2 및 작동시간 t3의 조건하에 있어서의 열화는, 규격화굴절율차가 값 H까지 멈추고, 이에 의해, 소망하는 신뢰성을 얻을 수 있게 된다.

또, 값 η1에 의거해서 수식[2]를 만족하도록 구하게된 초기열화온도 T1 및 초기열화시간 t1의 조건하에 광파이버 그레이팅을 가열처리하는 것을 특징으로한다. 이 경우에는, 구하게된 초기열화온도 T1 및 초기열화시간 t1의 조건하에 광파이버 그레이팅을 가열처리 함으로써, 소망하는 신뢰성을 얻을수 있게 된다.

또, 초기열화온도 T1은 작동온도 T2 보다도 40℃이상 높은 것을 특징으로 한다. 이 경우에는, 초기열화시간 t1이 40시간이하에서 완료되어 썩 알맞는 것이다.

이하, 첨부도면을 참조해서 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명에 관한 광파이버그레이팅제조방법은, 석영계 광파이버의 적어도 코어영역에 미리 Ge원소를 첨가해두고, 소정의 파장(예를들면 파장 260㎚미만)의 광을 조사해서 간섭줄무늬를 형성하고, 그 간섭줄무늬에 의한 광에너지 강도분포에 따른 굴절율 변화를 일으키게 함으로써 광파이버그레이팅을 형성한 후에, 규격화 굴절율차 η에 관해서 초기열화를 일으키게 하는 것이다.

먼저, 본 발명에 관한 광파이버 그레이팅 제조방법에 있어서의 규격화굴절율차 η의 경시변화를 나타내는 식으로서

η = C1·t^-n… [4]

를 생각 할 수 있다. 이는, 상기 수식[3]을 간소화 한 형태의 수식이다. 그러나, 이하에 설명하는 바와 같이, 이 수식[4]에서도 충분히 정확하게 규격화굴절율차 η의 경시열화를 나타낼 수 있다.

도 1 및 도 2는, 각 온도에 있어서의 광파이버 그레이팅의 규격화 굴절율차 η의 경시변화의 실측치를 표시하는 동시에, 그 실측치를 수식[4]에 의해 피팅된 곡선을 표시한 그래프이다. 여기서 사용한 광파이버그레이팅은, 석영계광파이버에 Ge원소를 첨가해서 자외광 조사에 의해 제작한 것이다. 도 1은, 온도 120℃, 170℃, 220℃ 및 280℃ 각각에 있어서의 광파이버그레이팅의 규격화 굴절율차 η의 경시열화의 실측치를 표시한 그래프이며, 도 2는, 온도 75℃, 85℃, 100℃ 및 120℃ 각각에 있어서의 광파이버 그레이팅의 규격화굴절율차 η의 경시열화의 실측치를 표시한 그래프이다. 이들 도면에 있어서, 도면중의 각점은, 실측치를 표시하고, 실선은, 그 실측치를 수식[4]에 의해 피팅된 곡선이다. 이들 도면에 표시한 바와 같이, 실측치와 피팅곡선과는 지극히 잘 일치하고 있다. 특히, 온도 100℃이상에서는, 실측치와 수식[4]의 곡선과의 상관계수가 0.94이상이며, 양호한 결과가 얻어지고 있다. 이상과 같이, 규격화굴절율차 η의 온도의존 및 시간의존은, 수식[4]에 의해 양호하게 표시되는 것을 알 수 있다.

도 3은, 도 1 및 도 2에 표시한 피팅곡선에 있어서의 파라미터 C1 및 n 각각을 각 온도에 대해 표시한 도표이다. 이 도표의 각열의 각각은, 차례로, 섭시온도, 절대온도, 절대온도의 역수, 파라미터 n 및 파라미터 C1(단위는, 1/분)이 기재되어있다. 이 도표로부터 알 수 있는 바와 같이, 파라미터 C1은, 온도에 의존하지 않고 대략 값 1로 되어있다. 이것은, 시간 1분 일때에 있어서의 규격화굴절율 η가 1이 되도록, 규격화 굴절율차 η를 규격화 하고 있기 때문이다.

한편, 파라미터 n은, 온도에 의존한 값으로 되어있다. 도 4는, 파라미터 n와 절대온도 T와의 관계를 표시한 그래프이다. 이 도면에 있어서, 종축은, 파라미터 n을 지수표기 한 것이며, 횡축은, 절대온도 T의 역수(1/T)이고, 또, 이 도면의 상부눈금에는 참고하기위해 섭시온도도 기재 되어 있다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 파라미터 n은, 절대온도 T에 대해서 아레니우스법칙에 잘 따르고 있고,

n = 2.7914 exp(-1963.2/T) …[5]

로서 근사치가 된다. 이로부터, 활성화 에너지로서, 16.32KJ/㏖·K가 얻어진다. 이하에서는, 이 식을,

n = A·exp(-B/T) …[6]

으로 나타낸다. 여기서, A(=2.7914) 및 B(=-1963.2) 각각은, 온도에 의존하지 않는 정수이다. 그리고, 수식[4]는, 이 수식[6]을 사용해서 나타내면,

n = t^{-A·exp(-B/T)}…[7]

로서 표시된다.

이상의 결과에 의거해서, 규격화굴절율차 η의 경시열화를 각 온도에 대해서 예상 한 것이 도 5 및 도 6이다. 도 5는, 초기열화를 행하지 않는 경우의 규격화 굴절율차 η의 예측경시열화를 표시한 그래프이며, 도 6은, 온도 80℃에서 48시간에 걸쳐 초기열화를 행한경우의 그후의 규격화굴절율차 η의 예측경시열화를 표시한 그래프이다. 각각, 온도 20℃, 40℃, 60℃ 및 80℃ 각각의 경우에 대해서 기재하고 있다.

여기서, 도 6에 표시한 그래프는, 다음과 같이 하여 구했다. 도 7은, 초기열화를 행하는 경우의 규격화굴절율차 η의 경시열화의 산출방법의 설명도이다. 이 도면에 있어서, 초기열화를 행할때의 온도를 T1로 하고, 광파이버 그레이팅의 사용시의 작동온도를 T2로 하고, 상기 수식[7]에 의거해서 온도 T1 및 T2 각각에 있어서의 광파이버 그레이팅의 규격화굴절율차 η의 경시변화를 표시하고 있다.

먼저, 초기열화(온도 T1=80℃, 시간 t1=48시간)의 후의 규격화굴절율차 η1을,

η1 = t1^{-A·exp(-B/T1)}…[8]

로서 구하고, η1=0.92를 얻는다. 이어서, 광파이버 그레이팅의 사용환경하에 있어서의 작동온도 T2에 있어서 규격화굴절율차 η1로 되는데 요하는 시간 t2를,

t2 = exp() …[9]

되는 식으로부터 구한다. 그리고, 이 규격화귤절율차 η1을 새로운 규격화의 기준으로 해서, 작동온도 T2에 있어서 다시 시간 t3 경과후에 있어서의 규격화 굴절율차 H를,

H = (t3+t2)^{-A·exp(-B/T2)}/η1 …[10]

로서 구한다. 도 6은, 각 작동온도 T2(=20℃, 40℃, 60℃, 80℃ 각각)에 있어서, 이 수식[10]에 의해 표시되는 시간 t3과 규격화굴절율차 H와의 관계를 표시한 것이다.

초기열화를 행하지 않는 경우의 규격화굴절율차 η는, 도 5에 표시한 바와 같이, 작동온도 20℃라해도 불과 1년 경과하면, 4%이상의 열화가 발생하는 것으로 예상 되고, 작동온도가 더욱 높으면 경시열화는 더욱 크다. 한편, 초기열화를 행한후의 규격화 굴절율차 η는, 도 6에 표시한 바와 같이, 작동온도 20℃에서 25년 경과해도 거의 열화 되지 않고, 또, 작동온도 40℃에서 25년 경과해도 불가 0.5%정도의 열화에 멈추는 것이 예상되며, 충분한 신뢰성이 보증되는 것을 알 수 있다. 그러나, 초기열화(80℃, 48시간)를 행하였다고 해도, 작동온도 60℃에서 25년 경과하면 약4% 열화하는 것이 예상되고, 또, 동작온도 80℃에서 25년 경과하면서 약9% 열화하는 것이 예상 된다. 이와 같이, 실제로 광파이버그레이팅이 작동하는 온도 및 시간을 고려 할 것 없이 일율적으로 초기열화조건을 정하는 것은 타당하지 않다.

그래서, 본 발명에 관한 광파이버 그레이팅 제조방법에서는, 상기 수식[7]에 의거해서, 실제로 광파이버그레이팅이 사용되는 작동온도와 작동시간을 고려한위에서, 초기열화조건(초기열화후의 규격화 굴절율차 η1, 초기열화온도 T1, 초기열화시간 t1)을 적절하게 조정한다. 이하, 도 7을 참조하면서, 초기열화조건의 구하는 방법을 설명한다.

먼저, 광파이버 그레이팅의 용도나 사용환경등을 고려해서, 작동온도 T2 및 작동시간 t3을 정하고, 또, 작동시간 t3 경과후에 있어서 허용되는 규격화굴절율차 H를 정한다. 그리고, 이들 조건하에서, 초기열화후의 규격화굴절율차 η1을,

H ≤ (t3+t2)^{-A·exp(-B/T2)}/η1 …[11a]

t2 = exp() …[11b]

로되는 2개의 관계식이 함께 만족 되도록 구한다.

이 수식[11]의 해답은, 미리 계산에 의해 구해두면 된다. 도 8은, 작동시간t3=25년으로 했을경우에 있어서의 초기열화후의 규격화굴절율차 η1과 작동시간 t3경과후의 규격화굴절율차 H와의 관계를 각 작동온도T2(20℃, 40℃, 60℃, 80℃)마다 표시한 그래프이다. 또, 도 9는, 작동시간 t3이 25년에서 규격화 굴절율차의 변화량(1-H)이 1%이하를 달성하기 위하여 요구되는 초기열화후의 규격화 굴절율차 η1을 각 작동온도 T2에 대해서 표시한 그래프이다.

이들 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 예를 들면, 일반적으로 요구되는 신뢰성기준(작동시간 t3이 25년에서 규격화굴절율차의 변화량(1-H)이 1%이하)을 달성하기 위해서는, 작동온도 20℃의 경우에는 초기열화후의 규격화굴절율차 η1이 약 95.5%이하가 되도록, 작동온도 40℃의 경우에는 초기열화후의 규격화굴절율차 η1이 약 92.5%이하가 되도록, 작동온도 60℃의 경우에는 초기열화후의 규격화굴절율차 η1이 약 89.0%이하가 되도록, 또, 작동온도 80℃의 경우에는 초기열화후의 규격화굴절율차 η1이 약 84.5%이하가 되도록, 각각 초기열화를 행할 필요가 있다.

이상과 같이 해서, 초기열화후의 규격화굴절율차 η1은, 광파이버그레이팅의 사용환경하에 있어서의 작동온도 T2, 작동시간 t3 및 허용되는 규격화굴절율차 H에 의거해서 결정된다. 그리고, 이와 같이 해서 구하게된 규격화굴절율차 η1에 도달 할 때 까지, 규격화 굴절율차 η를 모니터하면서 광파이버 그레이팅의 초기열화 즉 가열처리를 행하면 된다.

또는, 이 초기열화후의 규격화굴절율차 η1을 달성 할 수 있는 초기열화온도 T1 및 초기열화시간 t1을 수식[8]에 의거해서 결정하고, 이 조건하에 초기열화를 행하여도 된다. 이 경우, 초기열화온도 T1 및 초기열화시간 t1은 일의적(一意的)으로는 정해지지 않는다. 도 10은, 초기열화온도 T1과 초기열화시간 t1과의 관계를 수식[8]에 의거해서 구한 결과를 표시한 그래프이다. 이 도면은, 작동시간 t3을 25년으로하고, 작동온도 T2를 20℃로하고, 허용되는 규격화 굴절율차 H의 변화량은 1%로 했을 경우의 도면이고, 횡축은, 초기열화온도 T1과 작동온도 T2와의 차를 표시한다. 이 도면에 표시한 바와 같이, 초기열화온도 T1이 높을수록, 초기열화시간 t1이 짧게 된다. 예를 들면, 초기열화온도 T1이 작동온도 T2 보다 40℃이상 높은경우에는, 초기열화시간 T1이 40시간이하에서 끝나므로 썩 알맞다. 또, 초기열화온도 T1이 작동온도 T2 보다 50℃이상 높은 경우에는, 초기열화시간 t1이 13시간이하로 끝나므로 더욱 알맞은 것이다.

이상, 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 석영계 광파이버에 형성된 광파이버그레이팅은, 작동온도 T2 및 작동시간 t3의 조건하에 있어서 허용되는 규격화굴절율차 H에 대해서 수식[1]을 만족하는 값 η1에 규격화굴절율차 η가 도달 할 때 까지 가열처리 되어서 초기열화를 받는다. 이와 같이 가열처리된 광파이버 그레이팅의 작동온도 T2 및 작동시간 t3의 조건하에 있어서의 열화는, 규격화굴절율차가 값 H까지에 멈추고, 이에 의해, 소망하는 신뢰성을 얻을 수 있게 된다.

또, 값 η1에 의거해서 수식[2]를 만족하도록 구하게된 초기열화온도 T1 및 초기열화시간 t1의 조건하에 광파이버 그레이팅을 가열처리하는 겅우에는, 가열처리시에 규격화굴절율차 η의 값을 모니터 할 것 없이, 소망하는 신뢰성을 얻을 수 있게 된다. 또, 초기열화온도 T1은 작동온도 T2보다도 40℃이상 높은 경우에는, 초기열화시간 t1이 40시간이하에서 완료되어 썩 알맞은 것이다.

이상과 같이 수식[1] 및 수식[2]에 의거해서 초기열화조건을 구하는 것으로 하였음으로, 광파이버 그레이팅을 초기열화조건을 보다 간이하고 또한 구체적으로 구할 수 있다.

Claims

석영계 광파이버의 적어도 코어영역에 Ge원소를 첨가하고, 소정의 강도분포의 조사광을 상기 석영계광파이버에 조사해서 상기 강도분포에 따른 굴절율변화를 가진 광파이버그레이팅을 형성하고, 작동온도 T2 및 작동시간 t3의 조건하에 있어서 허용되는 상기광파이버 그레이팅의 규격화굴절율차 H에 대해서,

H ≤ (t3+t2)^{-A·exp(-B/T2)}/η1 … [1a]

t2 = exp() … [1b]

단, A 및 B 각각은 소정의 정수치.

되는 관계식을 만족하는 값 η1에 규격화굴절율차 η가 도달하기까지 상기 광파이버 그레이팅을 가열처리하는 것을 특징으로 하는 광파이버그레이팅제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 값 η1에 의거해서

η1 = t1^{-A·exp(-B/T1)}… [2]

되는 관계식을 만족하도록 구하게 된 초기열화(劣化)온도 T1 및 초기열화시간 t1의 조건하에 상기 광파이버그레이팅을 가열처리 하는 것을 특징으로 하는 광파이버그레이팅제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 초기열화온도 T1은 상기 작동온도 T2보다도 40℃이상 높은 것을 특징으로 하는 광파이버그레이팅제조방법.