KR100308312B1 - 모드필드직경전환섬유,광도파관굴절계수국지변경방법및광도파관예비성형물제조방법 - Google Patents

모드필드직경전환섬유,광도파관굴절계수국지변경방법및광도파관예비성형물제조방법 Download PDF

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KR100308312B1 KR1019980705813A KR19980705813A KR100308312B1 KR 100308312 B1 KR100308312 B1 KR 100308312B1 KR 1019980705813 A KR1019980705813 A KR 1019980705813A KR 19980705813 A KR19980705813 A KR 19980705813A KR 100308312 B1 KR100308312 B1 KR 100308312B1
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에브제니 미하일로비취 디아노브
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Abstract

본 발명은 광섬유에 관계하며 섬유 복사 시준기, 광도파관 커플러, 분광 필터, 광 분리기, 장주기 회절발, 분산 보상기, 모의 라만효과의 캐스케이드 모드 필드 직경 전환 섬유, 물리적 값 센서, 에르븀 섬유 증폭기에서 게인 스펙트럼을 매끈하게 하기 위해 예정된 파장의 복사 억제 유니트에 사용될 수 있다. 본 발명은 광도파관의 제조를 용이하게 한다. 플리즈마 화학 증착법에 의해 광도파관(1)용 예비 성형물을 제조하기 위해서 기판 튜브(24)에 공급되는 분자 가스 혼합물이 실리콘 원자 한 개당 3개미만의 산소, 산소원자 1000개당 1개이상의 질소원자가 떨어지도록 혼합된다. 굴절계수는 광도파관(1)을 가열하여 국부 변형된다. 이것은 코어(3)에 포함된 원소를 클래딩(2)에, 또는 그 역으로 국부적 열확산시킨다. 광도파관(1)은 전기 아아크(10)의 전류나 적외선 레이저(15)의 복사(16)에 의해 가열된다. 코어(3)는 0.01내지 5원자% 농도의 질소로 도핑된다. 모드 필드 직경 전환 섬유에서 코어(3)의 직경은 광도파관(1)의 길이를 따라 변하며 단부(4)를 향해 증가한다.

Description

모드 필드 직경 전환 섬유, 광도파관 굴절 계수 국지 변경방법 및 광도파관 예비 성형물 제조방법
수정 유리 클래딩과 게르마늄 도핑된 수정유리 코어를 포함하는 일정길이의 광도파관을 포함하며, 코어직경이 광도파관을 따라 변하며 단부를 향해서 증가하는 전통적인 모드 필드 직경 전환 섬유가 "도핑제의 열확산을 사용하는 비임 확장 섬유" 라는 명칭의 문헌(광파 기술의 IEEE논문, 1990, Vol.8, No.8, p1151-1161)에서 K.Shiraishi, Y.Aizava, S.Kawakami에 의해 발표된다. 상기 문헌의 모드 필드 직경 전환 섬유에서, 게르마늄의 열확산 공정으로 광도파관의 굴절계수 구조를 형성하는 방사상 도핑 프로파일의 재분배에 의해 코어직경의 종방향 변화가 제공된다.
모드 필드 직경 전환 섬유의 문제점은 수정유리에 대한 게르마늄의 작은 확산계수에 의해 초래되는 복잡한 기술이다는 점이며, 이것은 모드 필드 직경 전환 섬유 제조를 위해 광도파관이 장시간 열처리될 것을 요구한다. 이와는 별도로 확산은 용융점 근처인 1600내지 1800℃의 온도에서만 효과적으로 이루어지므로 광도 파관의 변형을 일으킨다.
본 발명은 석영유리 클래딩과 도정된 석영유리 코어를 포함하는 일정길이의 광도파관인 모드 필드 직경 전환 섬유와 밀접하게 관련되며 코어직경은 광도파관을 따라 변하며 단부를 향해 증가한다(미국특허 5381503 참조, 국제류별 G02B 6/10).공지기술의 섬유에서 코어는 초기에 게르마늄 및 불소로 도핑된다. 게르마늄과는 다르게 불소는 석영유리 굴절계수를 감소시키며 추가적으로 1600내지 1800℃에서 더 큰 열확산 계수를 보인다. 결과적으로, 이중 도핑된 코어를 갖는 광도파관이 가열받을 때 불소는 더 신속히 클래딩에 침투하여 유리 코어 굴절계수를 효과적으로 증가시키므로 모드 필드 직경을 감소시킨다.
공지기술의 단점은 모드 필드 직경 전환 섬유의 제조방법에 복잡하며 모드 필드 직경 변화의 범위가 좁다는 것인데, 이것은 게르마늄과 함께 코어에 도입될 수 있는 불소의 제한된 농도 때문이다. 게다가 불소의 확산은 이러한 광도파관에서 감소된 굴절계수를 갖는 지역을 불가피하게 나타나게 하여서 전통적인 광도파관에 대한 커플링을 방해한다.
"광섬유 도파관에서 광감응성과 굴절 필터 제조에 응용"이란 명칭의 문헌 (Appl. Phys.Lett. 1978, Vol.32, No.10, p.647-649)에서 0.Hill, Y.Fujii, D.C.Johnson 및 B.S.Kawasaki 에 의해 광도파관의 굴절계수 국지적 변경방법이 발표되는데, 광도파관을 외부 노출시키는 것이 관계된다. 굴절계수의 변화는 광굴절 효과때문에 발생하며 광도파관 코어의 흡수 스펙트럼에서 특정 밴드를 나타나게하는 결함의 존재에 의해 야기된다. 이 경우에, 두 개의 광자간 상호작용이 일어난다. 광도파관에서 입사비임과 단부면에서 반사된 비임은 간섭하여서 굴절계수의 주기적 변화를 초래한다.
상기 공지기술의 단점은 공정이 복잡하고 굴절계수의 변화가 작고(Δ ~10-6)생성된 회절발(grating)의 주기를 변화시킬 수 없고 단가가 높고 방법을 실시하는 장치의 작동이 복잡하다는 것이다.
광도파관을 외부노출을 시키는 것이 포함된 광도파관 굴절계수 국지적 변경을 위한 또다른 방법이 "횡단 홀로그래피 방법에 의해 광섬유에 브래그 회절발 형성"이란 명칭의 문헌(Opt. Lett., 1989, vol.14, No.15, p.823-825)에서 G.Meltz, W.W.Morey, W.H.Glen에 의해 발표된다. 이 방법에 따르면 광도파관은 240mm근처의 파장의 레이저 광선에 노출된다. 광도파관 표면에 대해 각도(θ)로 두 개의 비임을 안내함으로써 간섭효과에 의해 광도파관에 회절발이 형성된다. 형성된 회절발의 주기는 각도(θ)를 변화시킴으로써 변경될수 있다.
그러나, 상기 방법은 광도파관의 굴절계수를 국지적으로 변화시키기 위해서 정교한 기술이 필요하다.
"외부 기록 회절발을 사용하여 통신 섬유에서 효과적인 모드 전화"이라는 명칭의 문헌(Electron.Lett., 1990, vol.26, p.1270-1272)에서 K.0.Hill, F.Bilodean, B.Malo, D.C.Malo, D.C.Johnson, I.S.Kinner는 광도파관이 외부노출을 받는 단계를 포함하는 광도파관 굴절계수 국지 변형 방법을 발표한다. 이 방법에서, 광감응성 광도파관은 측면에서 좁은 슬릿을 통과한 자외선 레이저 광선에 노출 된다. 노출지역 내에서, 굴절계수에서 광유도 국지적 증가는 기록에 대응하여 단일홈의 회절발을 발생시킨다. 이후에 노출이 중단되고 광도파관은 회절발 주기와 동일한 거리에서 레이저 비임에 대해 축방향 변위되고 다음 회절발 홈이 기록된다. 광도파관 노출과 축방향 변위 절차를 주기적으로 반복함으로써 상이한 굴절계수를 가지며 회절발을 나타내는 주기적 코어 지역이 형성된다.
그러나, 이러한 굴절계수 국지 변경 공정은 자외선 레이저 광선의 사용과 광도파관의 광감응성 형태가 제한된다는 점에서 매우 복잡하다. 추가로, 사용된 자외선 레이저는 꽤 비싸며 작동이 복잡하고 신뢰성이 낮고 인간의 눈에 해로운 단점을 가진다.
본 발명은 클래딩과 코어를 포함한 일정길이의 광도파관을 가열하는 단계가 포함된 광도파관의 굴절계수를 국지적으로 변화시키는 방법에 밀접하게 관련되는데, 클래딩과 코어는 수정유리에 기초하며 적어도 하나는 도핑되며 코어에 포함된 원소를 클래딩에 국지적 열확산 시키거나 클래딩에 포함된 원소를 코어에 국지적 열확산 시킨다(미국특허 제5381503 참조, 국제류별 G02B 6/10). 이 방법에서, 일정 길이의 광도파관은 저항가열로에서 가열된다.
게르마늄과 불소를 사용하여 이중 도핑하는 것은 모드 필드 직경 전환 섬유용 광도파관 제조방법을 복잡하게 만든다. 이 방법의 또다른 단점은 가열장치내의 온도분포에 의해 한정되며 공정중 변경될 수 없는 광섬유축을 따라 코어 굴절계수 변화법칙을 조절할 수 없다는 것이다. 또다른 문제점은 광도파관이 고정될 경우 나타나는 측부 스트레스의 이완으로 인해 광도파판이 가열될 때 변형된다는 점이다.
수정 유리 기초 광도파관용 예비 성형물 제조방법은 산소 및 실리콘 원자를 포함하는 가스분자 혼합물을 기판 튜브에 공급하고 기판 튜브의 내면상에 반응 생성물을 침적시키는 단계를 포함한다(광섬유 통신링크, L.M.Andrushko., V.A.Voznesenskii, V.B.Katok ; S.V.Svechnikov, L.M.Andrushki , Kiev, Tekhnika, 1988, p69).
그러나, 질소도핑된 수정유리로부터 예비 성형물을 제조하는 것은 이 방법에 전형적인 열역학 평형 조건하에서는 불가능하다.
본 발명에 가장 근접한 질소 도핑된 석영유리 기초 광도파관용 예비 성형물 제조방법은 질소, 산소, 실리콘 원자를 포함하는 가스 분자 혼합물을 기판 튜브에 공급하고, 혼합물에 마이크로파 방전하고, 기판 튜브의 내면상에 반응생성물을 침적시키는 단계를 포함한다("SPCVD에 의해 제조된 저-수소 실리콘 옥시나이트라이드 광섬유", IEEE Journal of Lightwave Technology, 1995, Vol.13, No.7, P1471-1474). 이 방법의 기초는 SPCVD공정에 의해 석영유리 기판 튜브의 내벽상에 질소도핑된 석영유리층을 플라즈마 증진 합성하여 광도파관 예비 성형물을 제조하는 것 이다.
그러나, 이 방법은 예비 성형물 합성에서 공정 매개변수를 사용하지 않으므로 기술적으로 복잡하며 광도파관 코어와 클래딩간의 굴절계수차이(△ n)를 얻는데 필요한 석영유리에 질소농도를 재현성있게 조절할 수 없다.
본 발명은 광섬유에 관계한다.
제1도는 모드 필드 직경 전환 섬유의 구조; 코어 직경을 따라 전기장(E(r))의 분포; 광도파관 축을 따른 거리(Z)의 함수로서 코어 직경(d)과 굴절계수(n)를 보여준다.
제2도는 전기 아아크를 사용하여 모드 필드 직경 전환 섬유를 제조하는 장치를 보여준다.
제3도는 CO-레이저를 사용하여 모드 필드 직경 전환 섬유를 제조하는 장치를 보여준다.
제4도는 열확산전에 광도파관 복사의 방향 다이아그램이다.
제5도는 열확산후에 광도파관 복사의 방향 다이아그램이다.
제6도는 전기 아아크를 사용하여 굴절계수를 변조하는 장치를 보여준다.
제7도는 레이저를 사용하여 굴절계수를 변조하는 장치를 보여준다.
제8도는 열확산을 사용하여 제조된 장주기 회절발(20mm)의 특징적 투과 스펙 트럼을 보여준다.
제9도는 본 발명에 따라 예비 성형물을 제조하는 방법을 실시하는 장치를 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 광도파관 2 : 클래딩
3 : 코어 4 : 단부
5 : 전극 6 : 클램프
7 : 보조 광도파관 8 : 3-좌표 마이크로미터 위치선정기
9 : 클램프 10 : 전기아아크
11,19 : 이동기 12 : 스텝모터
13 : 전원 14 : 컴퓨터
15 : CO-레이저 16 : 복사비임
17 : 렌즈 18 : 전력조절기
21 : 광원 22 : 광스펙트럼 분석기
24 : 석영튜브 25 : 혼합물
26 : 침적지역 27 : 마이크로파 전력
28 : 도파관 29 : 환형 갭
30 : 표면 플라즈마파 31 : 조화장치
32 : 피스톤 33 : 칼럼
용이하게 광도파관 및 이를 기초로한 장치를 제조하는 것이 본 발명의 목적 이다.
상기 목적은 석영유리 클래딩과 도핑된 석영유리 코어를 포함하는 일정길이의 광도파관으로된 전통적인 모드 필드 직경 전환 섬유에 의해 달성되며, 코어의 직경은 광도파관을 따라 변하며 단부를 향해 증가한다. 본 발명에 따르면 광도파관의 코어는 질소와 같은 도핑제로 도핑되며 도핑제의 농도는 0.1원자% 내지 5원자%이다.
본 발명의 목적은 또한 클래딩과 코어를 포함하는 일정길이의 광도파관을 가열하는 단계를 포함하는 모드 필드 직경 전환 섬유 제조 방법에 의해 달성되며, 클래딩과 코어는 석영유리에 기초하며 적어로 하나는 도핑되고, 본 발명에 따르면 국지적 열확산이 0.01원자%내지 5원자%의 질소로 코어가 도핑된 일정길이의 광도파관을 가열함으로써 제공되며, 상기 가열은 전기 아아크 전류 또는 적외선 레이저 복사에 의해 수행된다.
특히, 광도파관의 가열은 주기적으로 중단되고 주기적 중단동안 가열지역은 굴절계수 변화의 공간적 간격에 의해 분할가능한 거리만큼 광도파관을 따라 상대적으로 변위된다.
특히, 인, 알루미늄, 나트륨, 칼륨, 리튬, 세륨, 게르마늄, 불소, 붕소 또는 적어도 하나의 희토류원소와 같은 도핑제의 국지적 열확산이 제공된다.
광도파관의 길이는 5내지 500mA의 전기 아아크 전류에 의해 0.1초내지 600분간 가열되며 전기 아아크는 예리한 단부를 갖는 전극에 의해 발생되며 광도파관 축을 따라 1내지 15mm지역 내에 위치되며, 상기 가열 후에 예정된 모드 크기에 대응하는 지역에서 축에 대해 직각으로 광도파관의 절단이 이루어진다.
전기 아아크는 가변속도로 광도파관 축을 따라 변위될수 있으며 전기 아아크의 전류가 변화될 수 있다.
특히, 광도파관이 두지점에 고정될 때 기계적 스트레스에 의해 야기된 변형을 방지하기 위해서 열확산 이전에 보조 광도파관이 광도파관과 접합된다.
가열은 CO-레이저, CO2-레이저, 에르븀 레이저 또는 홀뮴 레이저에 의해 제공될 수 있다.
특히, 실리콘 옥시나이트라이드(Si3N4: SiO2)기초 코어를 갖는 광도파관이 가열될 수 있다.
불소 또는 붕소 도핑된 클래딩을 갖는 일정길이의 광도파관이 가열될 수 있다.
본 발명의 목적은 질소, 산소 및 실리콘 원자를 함유한 분자 가스 혼합물을 기판 튜브에 공급하고 혼합물에 마이크로파 방전을 하고 기판 튜브의 내면상에 반응생성물을 침적하는 단계를 포함하는 질소도핑된 석영유리에 기초한 광도파관용 예비성형물 제조방법에 의해 달성되는데, 본 발명에 따라서 기판 튜브에 공급되는 가스 분자는 실리콘 원자마다 5개 미만의 산소원자가, 산소원자 1000개마다 1개이상의 질소원자가 떨어지도록 혼합된다.
특히, 분자 가스혼합물은 적어도 하나의 다음 혼합물이다:
Sicl4+ 02+ N2, SiCl4+ 02+ NO2, SiCl4+ 02+ N2O3, SiCl4+ 02+ N2O4, SiCl4+ 02+ N2O, SiCl4+ 02+ NO 또는 SiCl4+ 02+ NH3
특히, 기판 튜브의 온도는 900내지 1300℃이다.
특히, 기판 튜브에 마이크로파를 활성화 시키는데 필요한 전력은 0.1내지 10kW이다.
특히, 기판 튜브내의 가스작용제는 0.05내지 50mmHg의 압력하에 있다.
광도파관 모드 필드 직경 전환 섬유, 팡도파관 굴절 계수 국지 변경 방법 및본 발명에 따라 모드 필드 질경 전환 섬유를 제조하는데 사용된 광도파관용 예비 성형물 제조방법은 단일한 발명개념에 의해 결합된다.
도 1에서, 모드 필드 직경 전환 섬유는 클래딩(2) 및 코어(3)를 포함하는 광도파관(1)으로서 코어(3)의 직경(d)은 광도파관의 단부(4)를 향해 증가하며 이의 유효 굴절 계수(n)는 감소한다.
전기 아아크를 사용하여 모드 필드 직경 전환 섬유를 제조하는 장치에서(도 2) 예리한 단부를 갖는 전극(5)이 광도파관(1)의 축에 대해 직각으로 배열된다. 광도파관(1)은 클램프(6)에 의해 고정된다. 보조 광도파관(7)이 3-좌표 마이크로 미터 위치선정기(8)에 클램프(9)로 고정된다.
전기 아아크(10)는 스텝모터(12)를 갖는 이동기(11)에 의해 광도파관 축을 따라 변위된다. 전극은 아아크 전류를 설정하는 전원(13)에 연결된다. 전기 아아크의 변위 및 전류는 컴퓨터(14)에 의해 조절된다.
CO-레이저(15)(도 3)를 사용하여 모드 필드 직경 전환 섬유를 제조하는 장치에서 복사 비임(16)은 렌즈(17)에 의해 광도파관(1)에 촛점이 잡힌다. 스텝 모터 (12)를 갖는 이동기(19)는 복사비임(16)에 대해 축을 따라 광도파관(1)을 변위시킨다. 전력 조절기 및 이동기(19)의 운동은 컴퓨터(14)에 의해 조절된다.
모드 크기를 결정하기 위해서 모드 필드 직경 전환 섬유의 출력에서 복사 패턴이 측정된다(도 4 및 도 5).
본 발명에 따른 방법을 실시하는 장치(도 2)는 다음과 같이 작동한다.
광도파관(1)은 마이크로미터 위치선정기(8)에 의해 조정되는 모조 광도파관 (7)과 전기 아아크(10)에 의해 접합된다. 이후에 아아크(10)는 열확산에 수행되는 광도파관(1)의 길이에 위치되거나 광도파관을 따라 변위된다. 고정 전극(5)사용시 가열지역의 크기는 전극(5)과 아아크(10)전류 간의 거리에 따라서 0.1내지 5mm이다. 전기 아아크(10)에 광도파관(1)의 국부지역의 노출시간은 광도파관(1)을 따른 전극(5)의 변위속도에 달려있다. 아아크(10)의 변위속도를 조정함으로써 단부(4)를 접근할 때 광도파관(1)을 따라 코어(3)직경을 변화시킬 수 있다. 열확산이 끝나면 광도파관(1)이 보조 광도파관(7)과 접합되는 지역 근처에서 필요한 모드 크기에 대응하는 지역에서 광도파관(1)이 직각으로 절단된다.
본 발명에 따른 방법을 실시하는 또다른 장치(도 3)는 다음과 같이 작용한다.
광도파관(1)은 레이저 복사비임(16)에 의해 마이크로미터 위치선정기(8)에 의해 조정되는 보조 광도파관(7)과 접합된다. 이후에 광도파관(1) 및 보조 광도파관(7)은 레이저 복사비임(16)에 대해 축을 따라 이동기(19)에 의해 함께 변위된다. CO-레이저 복사에 광도파관(1)의 국부지역의 노출시간은 레이저 비임(16)에 대한 광도파관(1)의 변위 속도에 달려있다. 광도파관(1)의 변위속도를 조정함으로써 단부(4)에 접근할 때 광도파관(1)을 따른 코어(3)직경을 변화시킬 수 있다. 광도파 관(1)의 축을 따른 코어(3)직경의 변화는 전력 조절기(18)를 사용하여 레이저 비임 (16)에 대한 광도파관(1)의 균일한 변위에서 레이저 복사 세기를 조절함으로써 이루어질 수 있다. 고정 광도파관 사용할 때 가열 지대의 크기는 렌즈(17)의 촛점길이와 위치에 따라서 0.01내지 15mm이다. 열확산이 끝나고 보조 광도파관(7)과 접합하는 지역 근처에서 필요한 모드크기에 대응하는 지역에서 광도파관(1)이 축에 대해 직각으로 절단된다.
코어에서 클래딩으로 모드 전환을 방지하기 위해서 모드 직경이 변화되는 광도파관의 길이(L) 및 코어직경(d)의 관계는 L≫ d 가 되어야 한다. 이러한 코어직 경의 변화는 고정 전기 아아크기 광도파관 축을 따라 1 내지 5mm 지역내에 위치되 고 전극의 예리한 단부간의 거리와 전기 아아크(10)의 전류가 변화될때나 1내지 15 mm길이의 광도파관을 가열하도록 아아크가 광도파관 축을 따라 변위될 때 획득된다. 광도파관(1)이 가열되는 온도는 전극간의 거리와 아아크 전류에 달려있다. 도핑제 종류에 따라서 전기 아아크의 전류는 5내지 500mA이어야 한다. 필요한 열확산을 제공하기 위해서 아아크(10)에 광도파관(1)의 노출시간은 0.1초내지 600분이며 광도파관 축을 따른 아아크의 변위속도는 1㎛/초 내지 1cm/초 이어야 한다.
다른 섬유 요소에 모드 필드 직경 전환 섬유의 연결은 모드 필드 직경 전환 섬유의 굴절계수 프로파일이 도핑제중 하나가 불소일 경우에 불가피한 감소된 굴절 계수를 갖는 지역을 포함하지 않기 때문에 훨씬 용이하다. 질소 농도는 0.01원자%내지 5원자%이어야 한다.
전기 아아크를 사용하여 굴절계수를 주기적으로 변조하는 장치에서(도 6) 전극(5)은 클래딩(2) 및 코어(3)를 포함하는 광도파관(1)의 축에 대해 직각으로 배열 된다. 광도파관은 클래프(6, 9)에 의해 고정된다. 광도파관 축을 따라 전극(5)을 변위시키는 스텝모터(12)를 갖는 이동기(11)는 열확산으로 인해 코어 굴절계수가 도 6 에 도시된 바와같이 열확산을 받지않은 지역의 굴절계수와 다른 주기적 국부 지역(20)을 형성한다. 도 6 은 광도파관 축을 따라 좌표(Z)의 함수로서 코어 굴절 계수(n)를 보여준다. 굴절계수 변조를 모니터 하기 위해서 장치(도 6)는 백색 광원(21)과 광스펙트럼 분석기(22)를 포함한다. 컴퓨터(14)는 이동기(11)의 스텝모터를 조절하며 전원(13)을 조절함으로써 전기 아아크(10)의 조건을 한정한다.
레이저(15)를 사용하는 굴절 계수 변조 장치에서(도 7) 레이저 복사(16)는 광도파관(1)의 코어(3)에서 렌즈(17)에 의해 촛점이 잡힌다. 노출시간은 셔터(23)에 의해 설정되고 레이저 비임(16)에 대한 광도파관의 변위는 컴퓨터(14)의 제어하에서 스텝모터(12)를 갖는 이동기(19)에 의해 제공된다.
본 발명의 기초는 광도파관(1)의 코어(3)의 굴절계수를 변조시키는 신규한 메카니즘이다. 가장 최근의 공지기술에서 자외선 복사에 노출하에서 광굴절 효과로 인해 굴절계수가 변하는 것에 반해서 본 발명에서는 코어(3) 또는 클래딩에 포함된 요소의 열확산으로 인하여 광도파관(1)의 국부지역이 전기 아아크 방전(10)(도 6)에 의해 가열되거나 적외선 레이저(15)(도 7)의 복사(16)에 의해 가열될 때 이루어진다. 확산은 코어(3)의 굴절계수에서 국부적 변화를 가져온다. 즉 한 회절발 홈을 기록한다. 전체 회절발은 가열지역이 광도파관(1)의 축을 따라 회전발 주기에 의해 분할된 거리로 변위될 때 각 홈을 연속 기록함으로써 형성된다. 회절발 홈은 가열원(10)(도 6) 또는 (16)(도 7)에 대해 광도파관(1)을 한 회절발 주기에서 연속 변위시킴으로써 기록되며 두 주기에서 광도파관(1)의 동일 지역을 이중으로 통과함으로써 기록된다.
회절발 홈의 기록 시간 및 온도는 광도파관(1)의 코어(3) 및 클래딩(2)의 화학조성에 달려있으며 전통적인 실험을 통해 쉽게 결정될 수 있다. GeO2도핑된 코어 (3)를 갖는 석영 광도파관(1)에서 Ge의 확산은 1400℃이상의 온도에서 효과적으로 일어난다. 느린 확산은 긴 기록시간을 가져오며 SiO2용융점에 가까운 고온은 광도 파관(1)의 변경을 초래할 수 있다.
실리콘 옥시나이트라이드 Si3N4: SiO2에 기초한 코어(3)를 갖는 석영 광도파관(1) 또는 불소도핑된 클래딩(2)과 석영 코어(3)를 갖는 광도파관(1)은 SiO2에 대한 N 및 F 의 확산계수가 Ge보다 우월하기 때문에 이러한 결함이 없다. 결과적으로 이들의 확산은 비교적 저온에서 일어나며 상당히 감소된 시간 후에 하나의 홈 이 기록된다.
광도파관(1)은 광도파관 접합장치에 사용된 것과 유사한 전기 아아크 방전 (10)에 의해 국부가열된다. 가열지역 길이 및 온도는 전극(5)간의 거리와 아아크 (10)전류의 선택을 통해 변화될 수 있다. 특히, 전극(5)간의 거리는 D 내지 100D이며, 여기서 D 는 광도파관(1)의 외경이고 전류는 5내지 50mA이다.
국부가열은 광도파관(1)재료가 0.1내지 10cm-1의 크기로 상당한 흡수를 보이는 복사파장(16)을 갖는 레이저(15)에 의해 이루어질 수도 있다. 마지막으로, 5㎛ 파장의 CO-레이저, 10㎛파장의 CO2-레이저, 2.76㎛파장의 에르븀 레이저, 및 2.94㎛파장의 홀뮴 레이저와 같은 적외선 레이저가 사용될 수 있다. 순수한 석영 유리에서 에르븀 레이저 복사파장의 흡수는 5×10-2cm-1미만일 지라도 물을 함유한 석영 광도파관에서 OH-결합 진동흡수라인(2.76㎛의 파장) 덕택에 수배의 크기로 흡수가 상승될 수 있다.
전기 아아크(10)사용시 획득될 수 있는 최소 가열지역은 광도파관(1)의 외경, 일반적으로 125㎛정도이다. 적외선 레이저 복사에 노출은 10㎛미만의 최소 가열 지역을 제공할 수 있다.
장주기 회절발에서 코어(3)와 클래딩(2)의 모드간의 공명 커플링으로 인하여코어(3)모드로부터 클래딩(2)모드로 에너지가 선택적으로 커플링되며 클래딩(2)상 에 적용된 외부 폴리머 코팅에서 빠르게 분산된다. 공명 파장은 회절발 주기에 의 해 한정되며 200내지 400㎛이다. 이러한 효과는 광도파관(1)의 굴절계수 변조의 존재를 입증한다.
공지기술에 비해서 본 발명은 다음과 같은 장점을 가진다.
약한 광굴절효과를 보이는 광도파관(1)에서 조차도 열확산이 굴절계수를 변조시킨다.
본 발명은 제조 및 작동이 간단하며 저렴한 가열원으로서 전기 아아크 방전 (10)또는 적외선 레이저(15)를 사용한다.
적외선 레이저(15) 및 전기 아아크(10)의 복사(16)는 자외선 레이저 보다 인간의 눈에 더욱 안전하다.
전기 아아크(10)(도 6)사용시 본 발명에 따른 방법은 다음과 같이 실시된다.
보호 폴리머 코팅이 벗겨진 광도파관(1)이 고정 클램프(6, 9)에 고정되고, 이후에 굴절계수를 변화시키는 제 1 지역에 대응하는 위치에서 광도파관(1)의 축 (Z)를 따라 마이크로미터 위치선정기(8)와 스텝모터(12)에 의해 전극이 고정되고, 전기 아아크(10)의 전원(13)이 켜지고 예정된 기간동안 광도파관(1)이 가열되고, 전기 아아크(10)의 전원(13)이 꺼진다. 다음에 전극(5)은 스텝모터(12)를 갖는 이동기(11)에 의해서 광도파관(1)의 축(Z)을 따라 굴절계수 변조 주기에 있는 제 1 지역으로부터 떨어진 다음 굴절계수 변화지역으로 변위되고, 전기 아아크(10)의 전 원(13)이 다시켜지고 예정된 시간동안 광도파관(1)이 가열되고, 이후에 아아크(10)의 전원(13)이 꺼진다. 반복횟수가 광도파관(1)의 코어(3)에서 필요한 굴절 계수 변조 주기의 횟수에 대응하도록 상기 작업이 주기적으로 반복된다. 이동기(11)의 스텝모터(12)와 전기 아아크(10)의 전원(12)은 컴퓨터(14)에 의해 조절되는데, 컴 퓨터는 적절한 루틴을 따를 때 공정의 필요한 시이퀸스 및 주기를 제공한다. 굴절 계수 회절발을 형성하는 공정을 모니터 하기 위해서 가열되는 광도파관(1)의 투과 스펙트럼이 광 스펙트럼 분석기(22) 및 백색광원(21)에 의해 측정된다. 코어(3) 및 클래딩(2)의 모드간에 공명 관계에 해당하는 필요한 깊이의 흡수 피크가 수득된다면 공정이 종결될 수 있다.
도 6 의 장치와 대조적으로, 적외선 레이저(15)(도 7)를 사용하는 굴절 계수주기적 변조 장치에서 광도파관(1)은 광도파관(1)을 국부가열하는 적외선 레이저 (15)의 복사비임(16)에 대해서 광도파관(1)의 변위를 제공하는 이동기(19)의 운동 부상에 고정된 클램프(6, 9)에 고정된다. 렌즈(17)에 의해 비임의 촛점이 잡히고 셔터(15)에 의해 주기적으로 간섭받는다. 도 7의 장치는 도 6의 장치에 대해 기술 된 것과 유사한 루틴에 따라서 컴퓨터(14)에 의해 작동한다.
본 발명에 따라서 광도파관 예비성형물을 제조하는 방법을 실시하는 장치를 설명하기 위해서 도 9 는 기판 석영 튜브(24), 가스 분자 혼합물(25), 침적 영역 (26), 도파관(28)을 통해 환형갭(29)에 적용되는 마이크로파 전원(27), 플라즈마 표면파(30), 피스톤(32) 및 플라즈마 칼럼(33)을 갖는 일치 장치(31)를 도시한다.
조성 SiCl4+ 02+ N2의 가스 분자 혼합물(25)이 수 mmHg의 압력하에서 석영유리 기판에 공급된다. 반대면으로부터 마이크로파 전원(27)이 튜브(24)에 적용 되어 혼합물에 정적인 방전을 유지시켜서 플라즈마 칼럼(33)을 발생시킨다. 혼합 물(25)은 건조된 산소 및 질소와 사염화 실리콘이다. 플라즈마 칼럼(33)지역에 들어오면 혼합물(25)은 플라즈마의 "고온전자"와 상호작용할 때 비활성 분자로부터 "발생되는" 활성라디칼이 혼합물에 나타나므로 화학적 변환을 한다. 결과적으로, 사염화 실리콘은 석영 튜브(24)벽에 흡착되는 실리콘 산화물로 변환되고 질소함유 라디칼이 관련된 비균질 반응 덕택에 이산화 실리콘으로 산화되어서 도핑된 석영유리 침적 영역(26)이 형성된다. 적용된 마이크로파 전력(27)을 변경하여 플라즈마 칼럼(33)의 길이를 변화시킴으로써 침적 영역(26)이 기판 석영 튜브(24)를 따라 분포되고 이의 내면상에 유리가 침적될 수 있다.
석영유리에 대한 질소의 열확산계수가 게르마늄에 대한 것 보다 크다. 이것은 공지기술과 다르게 팽창 코어(3)(도 1)를 생성시키기 위해 높은 열팽창계수를 갖는 추가 도핑제를 첨가할 필요성이 없고 열확산 시간이 단축되므로 모드 필드 직 경 전환 섬유의 제조를 수월하게 한다.
침적 공정이 완결되면 내면상에 질소 도핑 유리층이 침적된 기판 석영 튜브 (24)가 버너화염으로 가열하여 봉이된다. 형성된 이러한 예비성형물은 단일 모드 광도파관(1)으로 인발된다.
질소 도핑 코어(3)를 갖는 석영 광도파관(1)이 모드 직경을 증가시킨 모드 필드 직경 전환 섬유를 제조하는데 사용된다. 코어(3)에서 질소농도는 1원자%이다. 초기 광도파관(1)의 코어(3)직경은 4.5㎛이고 코어(3)와 클래딩(2)간의 굴절 계수차이(Δ n)는 0.012이다. 고정 아아크에 의해 가열된 지역은 0.3mm이고 전기 아아크 전류는 14mA이고 광도파관의 가열된 지역의 길이는 5mm이다. 전기 아아크 변위 속도는 광도파관(1)과 보조 섬유(7)간의 접합점에 다다름에 따라 500㎛/초내지 10㎛/초로 점차변한다. 노출시간은 1분이다. 열확산동안 광도파관(1)이 크램프(6)에 의해 한 지점에서만 고정되고 마이크로미터 위치선정기(8)(도 2)에 의해 조정되는 보조섬유와 다른면에서 접합되므로 광도파관에서 변형은 나타나지 않는다.
모드 직경은 광도파관을 떠나는 복사패턴으로부터 계산된다. 이것은 대향 단부면에 있는 레이저 다이오드로부터 발광된다. 도 4는 열확산 이전의 광도파관(1) 복사 패턴을 보여준다. 1-½세기를 가로지는 복사 패턴의 폭은 4.9㎛의 섬유 모드 직경에 대응하는 7.1°이다. 돈 5는 열확산 후의 광도파관 복사패턴을 보여 준다. 1-½세기를 가로지르는 복사 패턴의 폭은 43㎛의 모드 직경에 대응하는 0.8°로 감소되었다.
그러므로, 본 발명을 사용하여 모드 직경을 4.9㎛에서 43㎛로 증가된다. 공지기술과는 대조적으로 모드 필드 직경 전환 섬유는 필요한 공정단계의 수가 감소 되므로 더욱 용이하게 제조될 수 있다. 열확산을 받는 광도파관(1)과 접합되는 보 조 광도파관 덕택에 공지기술에서 스트레스의 이완으로 나타나는 광도파관 변형이 열확산에서 완전히 방지된다. 공지기술과 다르게 본 발명에 따라 제조된 모드 필 드 직경 전환 섬유의 굴절계수 프로파일은 감소된 굴절계수를 갖는 지역을 포함하 지 않는다.
Si3N4: SiO2코어(3)(직경 4.5㎛)와 SiO2클래딩(2)(직경 120㎛)을 갖는 석영 광도파관(1)에서 장주기 회절발이 기록되며 코어와 클래딩간의 굴정 계수 차이 (Δ n)는 0.012이고 질소농도는 1원자%이다.
제 1 구체예에서, 가열원은 전기 아아크 방전(10)(도 6)이다. 아아크(10)는 10㎛의 정확도로 조절되는 250㎛의 거리에서 이동기(6)에 의해 광도파관(1)을 따라 축방향 변위된다. 전극(5)간의 거리와 아아크(10)의 전류는 각각 150㎛와 5mA여서 굴절계수가 변화된 지역(20)의 크기는 광도파관(1)의 직경과 같다. 약 120㎛로 측정되는 코어(3)의 광방출지역의 특성크기에 의해 모니터 하기 위해서 현미경이 사용된다. 매 홈을 기록하는데 걸리는 시간은 1초이다. 회절발 주기는 250㎛이며 총 홈의 수는 80개이다.
광스펙트럼 분석기(22)에 의해서 투과 스펙트럼(도 8)이 모니터된다. 이 스펙트럼은 비유사한 측부 지수를 갖는 클래딩(2)의 축대칭 모드에 대한 코어(3)의 공명 커플링에 대응하는 7개의 흡수 피크를 보여준다. 이것은 광도파관(1) 코어(3)의 굴절계수의 주기적 변조와 코어(3) 굴절계수의 장주기 회절발의 발생을 나타낸다.
도핑안된 석영유리 클래딩(2), 질소도핑된 유리코어(3), Δ n=0.02인 광도파관용 예비성형물을 제조하기 위해서 직경 20mm와 벽두께 2mm인 기판 석영튜브(24)가 1300℃의 온도로 가열된다. 조성 SiCl4+ O2+ N2혼합물(25)이 1mmHg의 압력 하에서 기판 튜브(24)에 공급된다. 마이크로파 전력(27)은 1 내지 5㎾의 범위에서 변한다. 유리를 질소로 도핑하는 것은 [SiCl4]:[O2]=0.92 와 [02]:[N2]=0.5의 물질 흐름 비율로 달성된다. 단위시간에 반응기에 도달하는 산소 및 실리콘 원자의 양은 2.2의 비율이며 산소대 질소원자의 비는 2이다.
도핑안된 석영유리 클래딩(2)과 질소 도정된 유리 코어(3)를 가지며 Δ n=0.01인 광도파관(1)용 예비성형물을 제조하기 위해서 20mm의 직경과 2mm의 벽두께를 가지는 기판 튜브(24)가 1300℃의 온도로 가열된다. SiCl4+ 02+ N2의 혼합물(25)이 1mmHg 의 압력하에서 기판 튜브(24)에 공급된다. 마이크로파 전력(27)은 1 내지 5㎾범위로 변한다. 질소로 유리를 도핑하는데 필요한 수준은 물질 흐름비 [SiCl4]:[O2]=0.92 와 [O2]:[N2]=0.5에서 획득된다. 단위시간에 반응기에 들어오는 산소원자와 실리콘 원자의 양은 2.6 비율이며 산소대 질소의 비는 2이다.
본 발명은 광섬유에 관계하며 섬유 복사 기준기, 광도파관 커플러, 분광 필터, 광 분리기, 장주기 회절발, 분산 보상기, 모의 라만효과의 캐스케이드 모드 필드 직경 전환 섬유, 물리적 값(굴절계수, 온도, 스트레스등) 센서, 예컨대 에르븀섬유 증폭기에서 1.53㎛ 파장에서 증진된 자발적 발광피크, 네오디뮴 증폭기에서 1.06㎛지역 이상에서 자발적 발광, 파장 분할 멀티플렉싱 시스템에서 사용된 에르븀 섬유 증폭기에서 개인 스펙트럼을 매끈하게 하기 위해 예정된 파장의 복사 억제 유니트에 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 석영 유리 클래딩(2)과 도정된 석영 유리 코어(3)를 포함하며 단부(4)를 향해 증가하도록 코어의 직경이 광도파관(1)의 길이를 따라 변하는 팡도파관(1)을 포함한 모드 필드 직경 전환 섬유에 있어서, 광도파관(1)의 코어(3)가 질소와 같은 도핑제로 도핑되며 도핑제 농도는 0.01내지 5원자%임을 특징으로 하는 섬유.
  2. 각각 석영 유리에 기초하며 적어도 하나는 도정된 클래딩(2)과 코어(3)를 갖는 광도파관(1)을 가열하고; 코어(3)에 포함된 원소를 클래딩(2)에 국부적 열확산 시키거나 클래딩(2)에 포함된 원소를 코어(3)에 국부적 열확산시키는 단계를 포함하는 광도파관(1)의 굴절계수를 국부적으로 변화시키는 방법에 있어서, 국부적 열확산이 0.01내지 5원자%농도의 질소로 도핑된 코어(3)를 가지는 광도파관(1)을 가열시켜서 수행되며 상기 가열은 전기 아아크(10)전류나 적외선 레이저(15)의 복사(16)에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 광도파관(1)의 가열이 주기적으로 중단되고 상기 주기적 중단동안 가열지역이 굴절 계수 변화의 공간적 간격에 의해 분할가능한 거리에 광도파관(1)을 따라 변위됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 국부적 열확산이 인, 알루미늄, 나트륨, 칼륨, 리튬, 세늄, 게르마늄, 불소, 붕소 또는 적어도 하나의 희토유 원소와 같은 도핑제의 국부적 열확산임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 광도파관(1)이 전기 아아크(10)에 의해 0.1초내지 600분간 5내지 500mA의 전류로 가열되며, 전기 아아크(10)는 광도파관(1)의 축을 따라 1내지 15mm크기의 지역내에 위치되며 예리한 단부를 가지는 전극(5)에 의해 발생되며, 이후에 예정된 모드 크기에 대응하는 지역에서 축에 대해 직각으로 광도파관(1)의 절단이 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 전기 아아크(10)가 가변적 속도로 광도파관(1)의 축을 따라 변위되거나 전기 아아크의 전류가 변화됨을 특징으로 하는 방법.
  7. 제2항에 있어서, 보조 광도파관이 열확산 이전에 광도파관(1)과 접합됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제2항에 있어서, CO-레이저, CO2-레이저, 에르븀-레이저 또는 홀뮴 레이저의 복사(16)를 사용하여 가열이 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제2항에 있어서, 실리론 옥시나이트라이드(Si3N4:SiO2) 기초 코어(3)를 갖는 광도파관(1)이 가열됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 불소 또는 붕소 도핑된 클래딩(2)을 갖는 광도파관(1)이 가열됨을 특징으로 하는 방법.
  11. 질소, 산소 및 실리콘 원자를 함유한 분자 가스 혼합물(25)을 기판 튜브(24)에 공급하고; 마이크로파 방전(27)을 활성화시키고; 기판 튜브(24)의 내면상에 반응 생성물을 침적시키는 단계를 포함하는 질소 도핑된 석영 유리 기초 광도파관용 예비 성형물 제조방법에 있어서, 기판 튜브(24)에 공급되는 분자 가스가 실리론 원자 한 개당 5개 미만의 산소원자, 산소원자 1000개당 1개이상의 질소원자가 떨어지도록 혼합됨을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 분자 가스 혼합물(25)이 다음 혼합물에서 선택됨을 특징으로 하는 방법: SiCl4+ 02+ N2, SiCl4+ O2+ NO2, SiCl4+ 02+ N2O3, SiCl4+ 02+ NO4, SiCl4+ 02+ N2O, SiCl4+ 02+ NO 또는 SiCl4+ 02+ NH3
  13. 제11항에 있어서, 기판 튜브(24)의 온도가 900내지 1300℃임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 기판 튜브(24)에서 마이크로파 방전(32)을 활성화 시키는데 필요한 전력(27)이 0.1내지 10㎾ 임을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 기판 튜브(24)내의 가스 혼합물이 0.05 내지 50mmHg의 압력하에 존재함을 특징으로 하는 방법.
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