KR100269176B1 - 광섬유결합기및다중접속을위한광섬유결합기 - Google Patents

광섬유결합기및다중접속을위한광섬유결합기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 결합기 및 다중접속을 위한 광섬유 결합기에 관한 것으로, 광섬유 결합기는 입력측 광섬유와 출력측 광섬유사이에 광신호가 서로 결합되도록하기 위한 광섬유 결합기에 있어서, 경사 굴절률을 갖고 소정의 길이로 연마되어 광신호를 결합시키는 광섬유 렌즈 및 광섬유 렌즈 양단에 입력측 광섬유와 출력측 광섬유를 결합시키기 위한, 광투과성이 소정 비율 이상인 접착제를 포함한다.
본 발명에 의하면, 광섬유 레이저 응용, 모드 필드경의 차이가 큰 이종섬유간의 결합 또는 레이저 다이오드와 도파로 소자간의 광섬유 결합, 8심, 16심 등의 대량접속을 이룰 수 있다.

Description

광섬유 결합기 및 다중접속을 위한 광섬유 결합기{Optical fiber coupler and multi-optical fiber coupler}
본 발명은 광섬유 결합기 및 다중접속을 위한 광섬유 결합기에 관한 것으로, 경사 굴절률을 갖는 광섬유 렌즈를 이용한 광섬유 결합기 및 다중 접속을 위한 광섬유 결합기에 관한 것이다.
통상적으로 광통신시스템에서 각 소자간 결합은 시스템의 성능을 결정짓는 요소중의 하나이다. 도 1은 종래의 광 결합 장치의 일실시예로서, 경사 굴절율(Graded Index)를 갖는 다중모드 광섬유(Multi-mode Fiber, 100)를 0.25피치로 절단하여 단일모드 광섬유(102)에 융착(fusion) 접속해 만든 콜리메이터(Collimater)를 입출력단에 사용하고 박막형태의 광부품(optical device, 104)을 사이에 넣어 구성한 광결합계이다. 참조번호 106은 융착된 광섬유(102)와 광섬유 렌즈(100)를 보호하는 하우징이다. 이 방법의 특징은 일반 렌즈를 사용하지 않고 단일모드 광섬유와 외경이 동일한 다중모드 광섬유를 렌즈로 이용하여 융착접속한다. 그러나, 이 경우 융착 후 광섬유 렌즈의 길이를 정확히 연마 혹은 절단해야 하는 고난도 가공기술을 요구하고 있어, 활용도가 떨어지는 문제점이 있다. 더구나, 열 융착시 단일모드 광섬유의 모드 필드경(Mode Field Diameter)과 다중모드 광섬유의 코아경(Core Diameter)의 차이로 인해 융착부가 완전히 결합되지 않거나 열로 인해 왜곡되어 진행모드에서의 고차모드 손실을 유발할 수 있다. 여기서 코아경은 광섬유 단면내에서 굴절률이 다음식으로 정의되는 n3으로 둘러쌓인 부분의 직경을 말한다.
n sub 3 = n sub 2 +k(n sub 1 - n sub 2 )
여기서, n1은 코아내 굴절률의 최대치, n2는 클래드의 굴절률 및 k는 통상 0.05인 상수이다.
그런데, 코아경이 작은 단일모드 광섬유에서는 직접 코아경을 측정하는 것이 어려우므로 광섬유내의 광강도분포 최대치의 1/e(e=2.718…)로 되는 부분의 직경을 측정하는데, 이 직경을 모드 필드경이라 한다.
상술한 방법의 다른 문제점은 외부에서 열, 기계적 응력(Stress) 및 편광왜곡이 있을 경우, 심한 신호 왜곡을 유발할 수 있다는 것이다. 또한 융착부는 마치 인체의 관절처럼 다른 부위보다 둘레가 불균일한 굵은 상태로 되어 있어서 4심 혹은 8심 등의 리본 광섬유를 적용한 다중결합(Multiple connection)에서도 광섬유간 간격오차를 유발할 수 있다.
또한 종래의 기계식 광접속자를 이용한 광섬유간 접속은 광섬유로부터 발산된 광을 기계적으로 밀착된 다른 광섬유로부터 받는 구조이므로, 기계적 부정확성 및 반복에 의한 마모 등에 의해 접속 성능이 저하된다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 레이저 다이오드나 필터 등에 포함된 광섬유에 동일한 직경을 갖는 광섬유 렌즈를 부착하여 각 광부품 기능의 효율을 극대화시키거나 부품의 소형화를 실현하는 광섬유 결합기 및 다중 접속을 위한 광섬유 결합기를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 광섬유 결합장치의 일실시예이다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 결합기의 일실시예이다.
도 3은 도 2의 광섬유 렌즈를 확대하여 도시한 것이다.
도 4a는 대량 제작을 위해 광섬유 다발을 연마하기 위한 구조의 단면도이다.
도 4b는 리본 광섬유를 연마하기 위한 구조의 단면도이다.
도 5는 도 2의 광섬유 렌즈의 일단에 필터가 삽입된 도면이다.
도 6은 도 2의 광섬유 렌즈의 좌우에 대역 통과 혹은 대역 제거 필터를 부착한 공진기를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 다중접속을 위한 광섬유 결합기의 구성도이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명에 따른 광섬유 결합기는 입력측 광섬유와 출력측 광섬유사이에 광신호가 서로 결합되도록하기 위한 광섬유 결합기에 있어서, 경사 굴절률을 갖고 소정의 길이로 연마되어 상기 광신호를 결합시키는 광섬유 렌즈; 및 상기 광섬유 렌즈 양단에 입력측 광섬유와 출력측 광섬유를 결합시키기 위한, 광투과성이 소정 비율 이상인 접착제를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명에 따른 다중 접속을 위한 광섬유 결합기는 입력측 리본 광섬유와 출력측 리본 광섬유사이에 광신호가 서로 결합되도록하기 위한 다중접속을 위한 광섬유 결합기에 있어서, 경사 굴절률을 갖고 소정의 길이로 연마된 복수 개의 광섬유 렌즈로 이루어져서 상기 광신호를 결합시키는 광섬유 렌즈바; 및 상기 광섬유 렌즈바를 보호하기 위해 상기 광섬유 렌즈바의 각 광섬유 렌즈 양단에 접착되는 복수 개의 렌즈 보호 블록을 포함한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 광섬유 결합기의 일실시예로서, 도 2에 따른 광섬유 결합기는 단일모드 광섬유(200), 광섬유 렌즈(202), 다중모드 광섬유(204)로 이루어진다. 광섬유 렌즈는 광 투과도가 99% 이상(이 경우, 광손실이 0.05dB이하)인 열경화성 수지(Thermosetting Resin)를 사용하여 광섬유에 부착 및 고정된다.
광섬유 렌즈(202)는 도 3에 확대되어 도시된 바와 같이 광섬유와 동일한 직경 D와 소정의 길이 L을 갖는다. d는 렌즈 출력빔 직경이다. 렌즈 내부의 광경로는 그린렌즈(Gradient-Index Rod Lens)의 광경로와 동일하며, 렌즈의 양측 단면은 평면, 구면 혹은 비구면으로 연마된다. 렌즈의 단면이 구면 혹은 비구면으로 연마되는 경우는 수광 또는 광의 발산에 유리하다.
광섬유 렌즈에서 상술한 광경로를 이루기 위한 내부 굴절률 분포 n(r)은 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, n0는 광축에서의 굴절률, g는 집속 파라미터(focusing parameter), Δ는 코아와 클래드의 굴절률 차 및 a는 광섬유의 코아반경이다.
이 경우 광섬유 렌즈 길이 L은 다음과 같다.
Figure pat00002
여기서, p는 피치(pitch)이다.
예를 들어, 빔이 집속되는 길이가 1/2피치이고 g가 2인 다중모드인 경우 광섬유 렌즈의 길이 L은 1.57mm가 된다.
도 4a 및 4b는 렌즈의 양 단면을 연마하기 위한 지그(jig)와 이에 고정되는 광섬유를 나타낸 것으로, 도 4a는 연마지그와 광섬유 다발을, 도 4b는 연마지그와 리본 광섬유를 도시한 것이다. 연마방법은 여러 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들어 원하는 렌즈 길이를 얻기 위해 앞면을 먼저 정밀 연마하고 뒷면에 대해서는 연마지그의 두께를 고려하여 연마와 길이 측정을 번갈아 수행하는 방법이 사용될 수 있다.
본 발명의 렌즈 길이는 다음과 같다.
l=0.5px2n±t
여기서, p는 피치, n은 정수이며 t는 0.5p보다 미세하게 길거나 짧게 길이를 조정하여 광섬유 렌즈의 우단면에서 빔의 초점거리를 조절하기 위함이다. 예를 들어 광섬유 코아의 크기가 다른 이종모드의 광섬유를 결합할 경우, 또는 도 5에 도시된 바와 같이 렌즈(500)의 전후단에 필터(502)가 삽입되는 경우 렌즈의 촛점은 필터류를 지나 접속되는 광섬유면에서 맺혀야 되므로 삽입물의 두께에 따라 t를 달리할 수 있다. 일례로 두께가 0.3mm인 필터가 삽입될 경우 t는 0.3mm가 되므로 렌즈 길이 l은 0.4피치 정도로 연마되어야 한다. 도 5의 참조번호 504, 506은 광섬유다.
그러나 모드 필드경이 다른 이종모드 광섬유간의 접속 또는 도파로 소자와 광섬유간의 접속과 같은 이종접속에서는 접속하고자 하는 대상의 양단 모드 필드경과 동일하게 t를 조절할 수 있다. 이 경우, 광섬유 렌즈의 개구수(Numerical Aperture)는 대략 0.18에서 0.2 정도가 되므로 접속손실을 줄일 수 있다. 여기서 개구수는 접속손실, 광섬유와 광원과의 결합효율, 광섬유의 지연시간차 등의 전송 특성에 관계되는 파라미터로 광섬유 단면 r위 위치에 투사한 광선에 대해서 다음과 같이 결정된다.
Figure pat00003
여기서, n0는 입사단에 있어서 매질의 굴절률, n(r)은 코아 영역의 위치 r에서의 굴절률, n2는 클래드의 굴절률 및 θl은 코아의 위치 r에서의 수광각이다.
이 때, 광섬유로부터 출력되는 광을 렌즈로 입사시키기 위해서는 렌즈의 수광각 θl이 최소한 다음을 만족해야 한다.
Figure pat00004
여기서, g는 집속 파라미터이고 D는 렌즈의 직경이다.
모드 필드경이 10μm인 광섬유와 5μm인 광섬유의 융착접속에서는 대략 2dB내외의 손실을 얻게 되지만 본 발명에 의한 렌즈를 적용할 경우 0.3dB이내로 낮출 수 있다.
도 6은 광섬유 렌즈의 좌우에 대역 통과 혹은 대역 제거 필터를 부착하여 공진기를 구성한 예이다. 예를 들어 길이가 1.57mm인 광섬유 렌즈 에 1550nm 대역의 파장(λ0)을 입력할 경우 다음과 같은 식에 의해 결정되는 파장 간격
Figure pat00005
=1nm를 얻을 수 있다.
Figure pat00006
여기서, n은 렌즈 중심의 굴절률이고, S는 렌즈의 길이이다.
이 파장간격에 따라 광섬유 렌즈(600)에서 출력되는 광신호는 부착된 대역 통과 또는 대역 제거 필터(602, 604)에 의해 원하는 파장에서 발진될 수 있다. 또한, 상술한 공진기는 충분한 길이의 광섬유 렌즈에 어븀(Erbium)과 같은 증폭매질이 첨가되어 원하는 파장의 광신호를 증폭하는 증폭기로 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다중 접속을 위한 광섬유 결합기의 구성도로서, 도 7에 따른 광섬유 결합기는 리본 광섬유(700), 광섬유 렌즈바(702) 및 렌즈보호 블록(706)을 포함한다. 참조번호 704는 리본 광섬유의 지지물이다. 이러한 다심 접속에서 중요한 점은 평균 접속손실이외에 각 광섬유간의 접속손실 편차가 작아야하며 반복접속시의 재현성도 중요하다. 광섬유 렌즈바(702)는 상술한 수학식 2와 같은 굴절률과 수학식 4와 같은 길이를 가지며, 광섬유의 발산빔을 집속하는 구조로 동작하므로 광섬유간의 손실편차 및 평균 접속 손실을 줄이고, 광섬유 렌즈바(702)의 각 광섬유 렌즈에 접착된 렌즈보호 블록(706)에 의해 입출력단 광섬유가 직접 접촉하지 않아도되므로 수명도 연장된다. 또한 광섬유 렌즈바(702)의 좌우 단면에 대역통과 필터를 접착하여 광파의 필터링, 감쇠 등의 기능을 수행할 수 있다. 광섬유 렌즈의 접속 및 반사특성을 향상시키기 위해서 렌즈와 광섬유 접합부위에 굴절률 정합재(Index Matching Oil) 혹은 투과도가 우수한 실리콘 볼(ball)을 넣어 완충기능을 추가할 수 있다. 또한, 광섬유 렌즈바의 단면을 비대칭으로 가공하게 되면 개구수를 증가시킬 수 있으므로 레이저 다이오드 모듈 또는 도파로 소자와 같은 비대칭 모드 구조를 갖는 광부품에 응용이 가능하다.
본 발명에 의하면, 광섬유 레이저 응용, 모드 필드경의 차이가 큰 이종섬유간의 결합 또는 레이저 다이오드와 도파로 소자간의 광섬유 결합, 8심, 16심 등의 대량접속을 이룰 수 있다. 또한 일정 길이를 갖는 광섬유 렌즈를 대량으로 생산가능하며, 일반 광섬유와 직경이 동일하므로 광섬유의 어느 곳에라도 렌즈를 지지할 수 있는 기구물에 고정하여 접속할 수 있으므로, 광섬유의 중간단에 위치시켜 필터기능, 감쇠 기능 및 발진 기능 등 다양한 응용에 적용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 모드 필드경이 서로 다른 두 광섬유 또는 도파로 소자와 광섬유를 결합하는 광섬유 결합기에 있어서,
    상기 광섬유와 동일한 직경을 갖고 소정 길이로 연마되어 상기 두 광섬유 사이 또는 상기 도파로 소자와 광섬유 사이에 위치하며, 내부 광경로가 그린렌즈의 광경로와 동일한 광섬유 렌즈를 구비하며,
    상기 광섬유 렌즈는 광투과성이 소정 비율 이상인 접착제에 의해 상기 두 광섬유 또는 상기 도파로 소자와 광섬유 사이에 결합됨을 특징으로하는 광섬유 결합기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연마길이 l은 수학식
    l=0.5px2n±t
    (여기서, p는 피치, n은 정수이며 t는 조정변수이다)
    임을 특징으로하는 광섬유 결합기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 접착제는
    열경화성 수지임을 특징으로하는 광섬유 결합기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 접착제는
    광투과성이 99%이상인 접착제임을 특징으로하는 광섬유 결합기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 렌즈의 좌단 및 우단중 어느 한 단에 부착되는 대역통과 필터를 더 구비하여 상기 필터에 의해 필터링된 광신호를 출력함을 특징으로하는 광섬유 결합기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 렌즈의 좌우단에 부착되는 두 개의 대역통과 필터를 더 구비하여 상기 광섬유 렌즈에 입사한 광신호가 상기 두 대역통과 필터에 의해 반사되어 발진하고 소정의 파장을 갖는 광신호만이 출력됨을 특징으로하는 광섬유 결합기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광섬유 렌즈는
    소정의 증폭매질이 첨가되어 소정의 파장을 갖는 광신호를 증폭함을 특징으로하는 광섬유 결합기.
  8. 모드 필드경이 서로 다른 두 리본 광섬유를 결합하는 다중접속을 위한 광섬유 결합기에 있어서,
    상기 광섬유와 동일한 직경을 갖고 소정 길이로 연마되어 상기 두 광섬유 사이 또는 상기 도파로 소자와 광섬유 사이에 위치하며, 내부 광경로가 그린렌즈의 광경로와 동일한 광섬유 렌즈바; 및
    상기 광섬유 렌즈바를 보호하기 위해 상기 광섬유 렌즈바의 각 광섬유 렌즈 양단에 접착되는 복수 개의 렌즈 보호 블록을 포함함을 특징으로하는 다중접속을 위한 광섬유 결합기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광섬유 렌즈바의 각 광섬유 렌즈 양단과 상기 입출력 리본 광섬유 사이에 완충재로서 굴절률 정합재를 더 구비함을 특징으로하는 다중접속을 위한 광섬유 결합기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광섬유 렌즈바의 각 광섬유 렌즈 양단과 상기 입출력 리본 광섬유의 각 광섬유사이에 완충재로서 실리콘 볼을 더 구비함을 특징으로하는 다중접속을 위한 광섬유 결합기.
  11. 제8항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유 렌즈바의 각 광섬유 렌즈는
    개구수를 증가시키기 위해 수광측 단면이 비대칭으로 연마된 광섬유 렌즈임을 특징으로하는 다중접속을 위한 광섬유 결합기.
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WO2015175731A1 (en) * 2014-05-13 2015-11-19 Advanced Fiber Products, LLC Smart ar coated grin lens design collimator

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