KR100317709B1 - 광섬유격자및이를이용한광섬유소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 격자 및 이를 이용한 광섬유 소자에 관한 것으로, x 방향 또는 y 방향의 단일방향으로 기울어진 경사진 광섬유격자나 또는 상기 단일방향으로 기울어진 광섬유 격자를 상호 중첩시킨 양방향으로 기울어진 광섬유 격자를 이용하여 광의 투과 및 반사시 모드간의 변환효율을 향상시킬 수 있는 기술로서, 특히 광섬유커플러형 필터를 구현할 시에는 상기 경사진 광섬유 격자가 존재하는 필터의 결합영역에서 특정한 파장만의 광만을 선택적으로 추출할 수 있어 필터의 광 추출(drop)효율과 추가(add)효율을 향상시킬 수 있으며, 아울러 경사진 광섬유의 격자만을 형성하는 것에 의해 원하는 특정 파장의 광만을 용이하게 추출 할 수 있어 광필터 소자의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 또한 광필터 소자의 제조에 따른 제작비용을 줄일 수 있어 경제적인 잇점을 제공한다.

Description

광섬유 격자 및 이를 이용한 광섬유 소자
본 발명은 광섬유 격자 및 이를 이용한 광섬유 소자에 관한 것으로, 특히 단일 방향으로 기울어진 광섬유격자, 예컨데 x 방향과 y 방향으로 기울어진 각각의 광섬유격자를 중첩시켜 특정한 파장에서 광의 투과 및 반사시 모드간의 변환효율성을 향상시킨 광섬유 격자 및 이를 이용한 광섬유 소자에 관한 것이다.
일반적으로 경사진 광섬유 격자는 일정각도(θ)만큼 경사진 격자구조를 가지며, 상기 격자의 경사각도(θ)의 크기를 조절하면 광의 모드변환을 실현할 수 있고, 또한 상기 격자와 격자간의 간격을 조절할 경우 빛의 반사 및 투과시 변환되는 광의 파장을 선택할 수 있다.
상기 광의 모드변환은 임의의 광의 모드, 즉 LPom모드로부터 다른 임의의 모드 즉 LP1n으로 변환할 수 있다.(단, 상기 m, n 은 모드 차수로 1,2,3, -- 임)
반사형 광섬유 격자와, 투과형 광섬유 격자에 있어서의 격자와 격자간의 격자간격을 식으로 도시하면 아래의 (식1) 과 (식 2)으로 나타낼 수 있다.
반사형 광섬유 격자 간격(Λr) = λ/(neff(0m)+ neff(1n)) -- (식 1)
투과형 광섬유 격자 간격(Λt) = λ/(neff(0m)- neff(1n)) -- (식 2)
단, 상기에서 λ는 파장, neff(1n)는 LP1n모드의 유효굴절률이고, neff(0m)는 LP0m모드의 유효굴절률을 나타낸다.
한편 상기에서 엘피(LP:Linear Polarization)는 선형편광모드를 나타내는 것으로, 이하에서는 'LP'라 표기한다.
상기의 식에서 알수 있듯이 투과형 광섬유격자의 격자간격이 반사형 광섬유격자의 격자간격에 비해서 훨씬 길다는 것을 쉽게 알수 있다.
또한, LP0m모드와 LP1n모드 사이에서 결합이 일어나기 위한 반사형 경사진 광섬유격자의 경사각(θ)은 아래의 (식 3)과 같이 LP0m모드의 전송각(porpagation angle)θ0m와, LP1n모드의 전송각 θ1n으로 나타낼 수 있다.
θ = 90-(θ0m+ θ1n)/2 ---- (식 3)
따라서, 상기한 식에 의하면, 광섬유의 클래딩 굴절률이 1.45, 광섬유 코어와 클래딩 간의 상대적 굴절률차(relative index difference)가 0.005이고, 정규화주파수(normalized frequency) V값이 3.5일 때, LP1모드와 LP11모드 사이의 결합을 위해서 요구되는 경사진 광섬유격자의 경사각은 약 3.87도의 값을 갖는다.
평면도파로에서의 격자에 의한 TE(또는 TM)모드 사이의 모드변환도 상기 식에 의해서 일어나며, 이때 θ0m은 θ0로 대치되고, θ1n은 θn으로 대치된다. 이 경우 θ0m은 TM0모드, θn은 TEn또는 TMn모드이다.
상기와 같은 이론하에 종래의 광섬유 격자를 살펴보면, 종래의 광섬유 격자 역시 경사진 격자 구조인데, 이때는 각기 단일방향으로 경사진 격자 구조를 이루고 있다.
한편, 광섬유의 격자구조를 설명하기에 앞서, 광섬유의 모드에 따른 전계패턴을 살펴보기로 한다.
도 1은 일반적인 저차 광섬유모드(LP11)의 전계 패턴을 나타내는 도면으로서, 상기 도 1은 LP1m(m=radial mode number)모드를 대표해서 나타낸 LP11모드의 전계 패턴(1)이다.
도면에서도 알수 있듯이, 편광방향과 방위각ø(azimutal angle)의 의존성에 따라서 4가지 필드가 있음을 알 수 있다. 여기에서 주목할 것은 cosø 타입과 sinø 타입의 필드가 있다는 것이다.
상기와 같은 전계패턴(1)에 따른 종래의 반사형 광섬유 격자를 보면 다음과같다.
도 2a는 종래의 단일(x) 방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자의 격자구조를 나타내는 도면이고,
도 2b는 종래의 단일(y) 방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자의 격자구조를 나타내는 도면이다.
상기 도 2a는 x 방향으로 θ만큼 경사진 격자(3)를 갖는 반사형 광섬유를 나타내는 것으로, 입사되는 LP11(Eycosø, Excosø)모드만이 LP1모드로 반사되고, LP11(Eysinø, Exsinø)모드는 그대로 투과되는 것을 알 수 있다.
반대로, 도 2b는 y 방향으로 θ만큼 경사진 격자(7)를 구비하는 반사형 광섬유를 나타내는 것으로, 입사되는 LP11(Eysinø, Exsinø) 모드만이 LP1모드로 반사되고, LP11(Eycosø, Excosø)는 그대로 투과되는 것을 알수 있다.
또한 도 3은 종래의 단일(x) 방향으로 경사진 투과형 광섬유 격자를 갖는 광섬유의 격자구조를 나타내는 도면이다.
상기 도 3을 참조하면, x 방향으로 θ만큼 기울어진 경사진 투과형 광섬유 격자의 격자간격 Λt(식 2)가 경사진 반사형 광섬유격자의 격자간격 Λr(식 1)보다 훨씬길고, 입사하는 LP11(Eycosø, Excosø) 모드만이 최저차 모드인 LP1모드로 투과되며, LP11(Eysinø, Exsinø) 모드는 그대로 투과되는 것을 알수 있다.
이상과 같은 구조의 광섬유 격자를 갖는 광섬유는 파장분할다중(WDM)용 필터, 분산보상, 펄스압축, 광섬유증폭기의 이득평탄, 광섬유레이저, 반도체 레이저의 주파수 안정화, 투과필터, 광센서등 여러 분야에 사용되고 있는 것으로, 그 응용범위가 광범위 하여 광통신 기술 중 현재 부각되고 있는 기술 중의 하나이다.
그러나 상기와 같은 종래의 광섬유 격자는 단일 방향으로만 경사진 구조를 가지기 때문에 특정한 파장에서의 모드변환을 통해 특정파장을 갖는 광을 추출하거나 추가하는 과정에서 잡음이 발생하는 문제가 있고, 또한 모드 변환시 모드 LP11(Eycosø, Excosø), LP11(Eysinø, Exsinø) 중에서 하나 만을 LP1모드로 변환할 수 있어 모드간 변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기에 기술한 바와 같은 종래 문제점을 감안하여, x 방향 또는 y 방향의 단일방향으로 경사진 두 개의 광섬유 격자를 중첩시켜 양방향으로 경사진 광섬유 격자를 구현함에 의해 특정한 파장에서 광의 투과 및 반사가 일어날 경우, 입사되는 신호의 광모드와 추출되는 신호의 광모드간의 변환효율성을 향상시킬 수 있고, 광섬유 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 광섬유 격자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기의 단일방향 또는 양방향으로 경사진 광섬유 격자를 광섬유 필터 등의 광소자에 적용하여 특수한 파장에서 모드변환을 통해 특정 파장의 신호를 추출하거나 추가하는 광섬유 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 경사진 격자를 평면 도파로에 제작하여 특정파장에서 모드변환을 통하여 특정파장의 신호를 추출하거나 추가하는 평면도파로형 광필터 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 저차 광섬유모드(LP11)의 전계 패턴을 나타내는 도면.
도 2a는 종래의 단일(x) 방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자의 격자구조를 나타내는 도면.
도 2b는 종래의 단일(y) 방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자의 격자구조를 나타내는 도면.
도 3은 종래의 단일(x) 방향으로 경사진 투과형 광섬유 격자의 격자구조를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 의해 양방향(x 및 y 방향)으로 경사진 반사형 광섬유 격자의 격자구조를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 의해 양방향(x 및 y 방향)으로 경사진 투과형 광섬유격자의 격자구조를 나타내는 도면.
도 6a는 본 발명에 의한 반사형 광섬유 격자를 이용한 LP0m대 LP1n모드 변환기의 예를 나타내는 도면.
도 6b는 본 발명에 의한 투과형 광섬유 격자를 이용한 LP0m대 LP1n모드 변환기의 예를 나타내는 도면.
도 7a는 본 발명에 의한 반사형 광섬유 격자를 이용한 광섬유 커플러형 필터를 나타내는 도면.
도 7b는 본 발명의 경사진 광섬유 격자를 이중코어의 광섬유에 적용하여 형성한 광섬유 커플러형 필터를 나타내는 도면.
도 7c는 본 발명의 경사진 광섬유 격자를 D-타입 광섬유에 적용하여 형성한 광섬유 커플러형 필터를 나타내는 도면.
도 8 은 상기 도 7a 내지 도 7c 의 광섬유 커플러형 필터에 있어서, 모드 변환부의 결합영역에 형성되는 광섬유 격자의 형태를 도시한 도면
도 9a 내지 도 9d 는 본 발명에 의한 경사진 반사형 광섬유 격자를 이용한 비대칭 결합기형 필터의 실시예를 나타내는 도면.
도 10 의 (a) 내지 (f)는 상기 도 9a 내지 도 9d 에 도시된 비대칭 결합기형 필터의 격자 형성부에 형성되는 광섬유 격자의 형태를 도시한 도면
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 광섬유모드(LP11)의 전계 패턴 3,7,9,10 : 한방향으로 경사진 광섬유 격자
5,36,38 : 광섬유 코어 13,15 : 양방향으로 경사진 광섬유 격자
11 : 광섬유(두개의 광섬유를 녹여 늘려서 만든 코어와 클래딩의 구분이 없어진 광섬유)
13,15 : 양방향으로 경사진 광섬유 격자 17 : 모드 변환부
19,29,31 : 광섬유 커플러형 필터의 결합영역
22 : 테이퍼 영역 23a,23b,34a,34b : 제2 광섬유
24,51 : 신호 입력, 추출 광섬유 도파부 25,27,33 : 광섬유 커플러형 필터
26,53 : 신호 추가 및 출력 광섬유 도파부 37,39,41,43 : 비대칭 결합기형 필터
35,45 : 비대칭 결합기형 필터의 결합영역
49 : 비대칭 결합기형 필터의 모드 변환부
61 : 비대칭 결합기형 필터의 결합영역의 제1 광섬유 코어
63 : 비대칭 결합기형 필터의 결합영역의 제2 광섬유 코어
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 격자는,
일측(x) 방향으로 경사진 광섬유 격자와, 상기 광섬유 격자상에 다른 일측(y) 방향으로 경사진 광섬유 격자를 중첩시켜, 특정파장에서 광의 모드가 변환되게 하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유의 소자는,
두 개의 일반 단일모드로 된 제1 및 제 2광섬유가 간격이 이격되어 횡방향으로 배열되되, 신호가 내부로 입력되는 신호 입력단(A)과, 신호가 추출되는 신호 추출단(B)으로 된 신호 입력, 추출 광섬유 도파부(24)와;
상기 입력, 추출 광섬유 도파부(24)와 대칭된 구조를 가지며, 신호 추가단(C)과 신호 출력단(D)으로 된 신호 추가 및 출력 광섬유 도파부(26)와;
상기 신호 입력, 추출 광섬유 도파부(24)와 상기 신호 추가 및 출력 광섬유 도파부(26)의 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 광섬유(21,23)가 융착결합되어 가늘어진 결합영역(19)내에 경사진 광섬유 격자를 구비시켜 상기 양측의 신호 입력단(A)과 신호 추가단(C)으로부터의 들어오는 신호에 대해 특정파장에서 모드변환이 이루어지도록 하는 모드 변환부(17)를 포함하는 구성으로 되어 광섬유 커플러형 필터의 역할을 하는 것을 특징으로 하며,
상기에서 경사진 광섬유 격자는 양방향의 경사진 반사형 광섬유 격자이고,
상기 경사진 광섬유 격자는 양방향의 경사진 투과형 광섬유 격자이며,
상기 경사진 광섬유 격자는 일측 방향의 경사진 반사형 광섬유 격자이고,
상기 광섬유 격자는 일측 방향의 경사진 투과형 광섬유 격자인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광섬유는 이중코어 광섬유 또는 D-타입 광섬유를 이용할 수 있다.
또한 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 소자는,
두 개의 광섬유 중 적어도 하나는 이중모드광섬유로 된 제1 및 제 2광섬유(32a,34a)가 간격이 이격되어 횡방향으로 배열되되, 신호가 내부로 입력되는 신호 입력단(A)과, 신호가 추출되는 신호 추출단(B)으로 된 신호 입력, 추출 광섬유 도파부(51)와;
상기 입력, 추출 광섬유 도파부(51)와 대칭된 구조를 가지며, 신호 추가단(C)과 신호 출력단(D)으로 된 신호 추가 및 출력 광섬유 도파부(53)와;
상기 신호 입력, 추출 광섬유 도파부(51)와 상기 신호 추가 및 출력 광섬유 도파부(53)의 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 광섬유(32,34)내의 광섬유 코어(36,38)간의 간격이 소정의 방법으로 매우 가까워지도록 형성된 결합영역(35)내에 경사진 광섬유 격자(40)를 구비시켜 상기 양측의 신호 입력단(A)과 신호 추가단(C)으로부터의 들어오는 신호에 대해 특정파장에서 모드변환이 이루어지도록 하는 모드 변환부(49)를 포함하는 구성으로 되어 비대칭 결합기형 필터의 역할을 하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기에서 경사진 광섬유 격자는 양방향의 경사진 반사형 광섬유 격자,양방향의 경사진 투과형 광섬유 격자, 일측 방향의 경사진 반사형 광섬유 격자, 일측 방향의 경사진 투과형 광섬유 격자중 임의의 어느 하나 또는 조합된 광섬유로 형성할 수 있다.
아울러, 상기 광섬유는 이중코어 광섬유, D-타입 광섬유를 이용하는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 비대칭 결합기형 광섬유 필터로 폴리쉬 타입 광섬유 커플러를 이용할 수 있다.
또한 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 평면도파로 소자는,
두 개의 평면도파로 중 적어도 하나는 이중모드 평면도파로로 된 제1 및 제 2 평면도파로가 일정 간격이 이격되어 횡방향으로 배열되되, 신호가 내부로 입력되는 신호 입력단과, 신호가 추출되는 신호 추출단으로 된 신호 입력, 추출 평면도파로 도파부와;
상기 입력, 추출 평면도파로 도파부와 대칭된 구조를 가지며, 신호 추가단과 신호 출력단으로 된 신호 추가 및 출력 평면도파로 도파부와;
상기 신호 입력, 추출 평면도파로 도파부와 상기 신호 추가 및 출력 평면도파로 도파부의 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 평면도파로내의 평면도파로간의 간격이 소정의 방법으로 매우 가까워지도록 형성된 결합영역내에 경사진 격자를 구비시켜, 상기 격자내로 들어오는 신호에 대해 특정파장에서 모드변환이 이루어지도록 하는 모드 변환부를 포함하는 구성으로 됨을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 의해 양방향(x 및 y 방향)으로 경사진 반사형 광섬유 격자의 격자구조를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명에 의해 양방향(x 및 y 방향)으로 경사진 투과형 광섬유격자의 격자구조를 나타내는 도면이다.
즉, 상기 도 4 는 x 방향으로 θ만큼 경사진 반사형 광섬유격자(3)와, 이에 수직으로 경사진 즉, y 방향으로 θ만큼 경사진 반사형 광섬유격자(7)를 중첩시켜 형성한 양방향으로 경사진 광섬유 격자(13)를 구비하는 광섬유를 도시한 도면이다.
따라서 상기 도 4 의 광섬유에 있어서는, LP11(Eycosø, Excosø) 뿐만 아니라 LP11(Eysinø, Exsinø) 모드도 모두 LP1모드로 반사시켜 주는 광섬유이다.
상기 도 5는 투과형 광섬유 또는 투과형 광섬유 격자를 나타낸 도면으로, x 방향으로 θ만큼 기울어진 경사진 투과형 광섬유격자(9)와 이에 수직으로 기울어진 즉, y 방향으로 θ만큼 기울어진 경사진 투과형 광섬유격자(10)을 중첩시키므로써, LP11(Eycosø, Excosø) 뿐만 아니라, LP11(Eysinø, Exsinø) 모드도 모두 LP1모드로 투과시켜 주는 광섬유이다.
이상과 같은 본 발명에 의한 경사진 격자구조를 가지는 광섬유 격자는 종래 의 광섬유 격자보다 투과 및 반사 시에 모드간의 변환효율이 높고, 방위각(ø)에 대한 의존성이 없기 때문에 신뢰성이 향상되어, LP1∼ LP11(혹은 LP0m∼ LP1n) 모드변환기(mode converter) 뿐만 아니라, 성능이 우수한 커플러형 필터(fused coupler typed filters) 또는 비대칭 결합기형 필터를 구현하는데 핵심소자가 될 수 있다.
이하 상기와 같은 특성을 가지는 본 발명의 경사진 격자구조를 가진 광섬유 를 이용하여 구현한 각 광섬유 소자에 대해 예를 들어 설명한다.
도 6a는 본 발명에 의한 반사형 광섬유 격자를 이용한 LP0m대 LP1n모드 변환기의 예를 나타내는 도면이고,
도 6b는 본 발명에 의한 투과형 광섬유 격자를 이용한 LP0m대 LP1n모드 변환기의 예를 나타내는 도면이다.
상기 도 6a 에 있어서, 특정파장에서 입사되는 모든 LP0m모드가 LP1n모드로 반사되는 것을 볼 수 있으며, 상기와 동일하게 입사되는 모든 LP1n모드가 LP0m모드로 반사되는 것을 볼수 있다.
또한 도 6b 에 있어서, 특정파장에서 입사되는 모든 LP0m모드가 LP1n모드로 투과되는 것을 볼 수 있으며, 상기와 동일하게 입사되는 모든 LP1n모드가 LP0m모드로 투과되는 것을 볼수 있다.
도 7a 내지 도 7c 는 본 발명의 반사형 광섬유를 이용하여 구현한 광섬유 커플러형 필터 또는 추출추가 필터(Add-drop filter)의 실시예를 나타낸 도면으로,
도 7a 는 본 발명에 의한 반사형 광섬유 격자를 이용한 광섬유 커플러형 필터를 나타내는 도면이다.
상기 도 7a 에 도시된 두 개의 일반 단일모드 광섬유(single mode fiber)(21,23)로 된 광섬유 융착커플러(fused coupler)(25)는 커플러의결합영역(19)에 본 발명에 의한 양방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자(13)를 제작하여 구현한 것이다.
동작원리를 설명하면, 광섬유커플러의 입력단(A)에 입사되는 신호(λ1, λ2, … λp… λn)는 LP1모드로 진행하다가, 커플러의 테이퍼영역(22a,22b)에서 부터 그중 일부(특정신호λp)가 LP11모드로 변환되어 입사된다.
이처럼 변환되어 입사된 LP11모드는 본 발명의 경사진 광섬유 격자가 반사형 광섬유 격자인 경우에는 광섬유 격자(13)가 있는 광섬유 결합영역(19)에서 LP1모드로 변환, 반사되어 신호추출단(B)으로 추출되고, 상기에서 모드가 변환되지 않았던 LP1모드는 본 발명의 광섬유 결합영역(19)에서 LP11모드로 반사된 후, 신호추출단(B)의 테이퍼영역(22b)에서 다시 LP1모드로 변환되어 추출된다.
그리고 상기에서 특정한 신호(λp)를 제외한 나머지 신호들은 본 발명에 의한 반사형 경사진 광섬유 격자(13)에서 상기 (식 1)의 위상정합 조건(phase matching condition)을 만족하지 않기 때문에 반사되지 않고 모두 출력단(D)으로 출력된다.
만일 특정한 신호(λp)가 도 7a 에서와 같이 신호 추가단(C)에 추가(add)되는 경우에도 상기에서 처럼 특정한 신호(λp)가 반사형 경사진 광섬유 격자(13)가 형성된 결합영역(19)에서 모드변환 과정을 거쳐서 추출되는 것과 같이, 모드변환과정을 거쳐서 출력단(D)에 추가된다.
만일 광섬유 융착커플러(fused coupler)(25)의 결합영역(19)에 본 발명에 의한 양방향으로 경사진 투과형 광섬유 격자(15)를 제작하여 도 7과 같은 구조의 필터를 구현하는 경우, 그 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
즉, 광섬유커플러의 입력단(A)에 입사되는 신호(λ1, λ2, … λp… λn)는 LP1모드로 진행하다가, 커플러의 테이퍼영역(22a)에서 부터 그중 일부(특정신호λp)가 LP11모드로 변환되어 입사된다.
이처럼 변환되어 입사된 LP11모드는 본 발명의 투과형 광섬유 격자(15)의 광섬유 결합영역(19)에서 LP1모드로 변환, 투과되어 신호추가단(C)으로 추출되고, 상기에서 모드가 변환되지 않았던 LP1모드는 본 발명의 광섬유 결합영역(19)에서 LP11모드로 투과한 후, 신호추가단(C)의 테이퍼영역(22c)에서 다시 LP1모드로 변환되어 추출된다.
그리고 상기에서 특정한 신호(λp)를 제외한 나머지 신호들은 본 발명에 의한 투과형 경사진 광섬유 격자(15)에서 상기 (식 2)의 위상정합 조건(phase matching condition)을 만족하지 않기 때문에 추출되지 않고 모두 출력단(D)으로 출력된다.
만일 특정한 신호(λp)가 신호 추출단(B)에 추가(add)되는 경우에도 상기에서 처럼 특정한 신호(λp)가 투과형 광섬유 격자(15)가 형성된 결합영역(19)에서 모드변환 과정을 거쳐서 추출되는 것과 같이, 모드변환을 거쳐서 출력단(D)에 추가된다.
따라서 투과형 필터를 결합영역에 사용하는 경우에도 필터의 구조는 같으나 다만, 신호 추가단(C)으로 신호가 추출되고, 신호 추출단(D)으로 신호를 추가해 주어야 한다.
한편, 상기 도면에서 테이퍼 영역(22)과, 결합영역(19)의 표시를 모드변환의 설명을 용이하게 하기 위해 구분하였으나 테이퍼 영역(22)도 결합영역(19)으로 포함시킬 수도 있다.
한편, 상기에서 핵심 사항은 기존의 광섬유 커플러형(Add/Drop) 필터가 결합영역(19)에서 모드변환없이 특정파장 λp에서 같은 모드로 반사시켜 주므로 인해 특정한 신호(λp)를 추출하고 다시 추가해주는 기능을 하는 것과는 달리, 테이퍼 및 결합영역(19,22)이 본 발명의 경사진 광섬유 격자(13)로 구현된 광섬유 커플러형 필터(25)에서는 테이퍼 및 결합영역(19,22)에서 모드변환 과정을 거쳐서 광의 특정신호를 추가 및 추출하므로, 그 효율을 높이고, 출력신호의 잡음(cross talk)을 줄이는 특징을 갖는다는 점이다.
아울러 결합영역(19)에 있는 본 발명에 의한 광섬유 소자의 경사진 격자(13)의 격자간격을 튜닝하는 경우 원하는 신호(λP)를 조건대로 선택하여 추출 또는 추가할 수 있다.
한편, 도 7b는 두 개의 코어로 된 이중코어 광섬유에 열을 가하면서 테이퍼링(tapering)하여 만든 결합영역(29)에 본 발명에 의한 양방향의 경사진 반사형 광섬유 격자(13)를 제작하여 구현한 광섬유 커플러형 필터(27)를 나타낸 도면이고,
도 7c는 두 개의 D-타입 광섬유를 테이퍼링하여 만든 광섬유커플러의 결합영역(31)에 본 발명에 의한 양방향의 경사진 반사형 광섬유 격자(13)를 제작하여 구현한 광섬유 커플러형 필터(33)를 나타낸 도면이다.
이때 상기 도 7b에서의 두 개의 코어(5a,5b)는 각각 서로 굴절률이나 코어직경이 다른 것이 바람직하고, 도 7c에서의 두 개의 D-타입 광섬유의 코어도 서로 코어직경 또는 굴절률이 다른 경우가 바람직한데, 이는 두 개의 코어의 모드끼리 위상정합이 일어나지 않도록 하기 위함이며, 본 발명의 경사진 광섬유 격자(13)를 이용할 때에만 위상정합이 일어나도록 하기 때문이다.
상기 도 7b 와 도 7c 의 광섬유 커플러형 필터의 동작원리는 상기 도 7a 의 경우와 동일하므로 설명을 생략한다.
도 8 은 상기 도 7a 내지 도 7c 의 광섬유 커플러형 필터에 있어서 결합영역(19,29,31)에 구비되는 본 발명의 경사진 광섬유 격자를 도시한 것으로,
도 8 의 (a)는 단일방향(x 또는 y 방향)으로 경사진 광섬유 격자(3,7,9)이고, 도 8 의 (b)는 양방향으로 경사진 광섬유 격자(13,15)를 도시한 것이다.
이때, 본 발명에 의한 양방향으로 경사진 광섬유 격자(13,15)를 제작 형성하는 대신 단일 방향으로 경사진 광섬유 격자(3,7,9)를 사용하는 경우에는 필터의 성능면에서는 다소 떨어질 수 있으나 동일한 필터 역할을 그대로 수행할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d 는 본 발명의 경사진 반사형 광섬유 격자를 이용하여 구현한 비대칭 결합기형 필터의 예들을 나타내는 도면으로, 적어도 한 개의 광섬유가 이중모드(two mode) 또는 다중모드(a few mode) 광섬유로 구성된 것이다.
먼저, 도 9a를 참조하여 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
광섬유커플러의 입력단(A)에 입사되는 신호(λ1, λ2, … λp… λn)는 LP1모드와 LP11모드로 진행하다가 특정신호(λp) 만이 결합영역(35)에서 본 발명에 의한 단일방향 또는 양방향의 경사진 반사형 광섬유 격자(40)에 의해 LP1모드는 LP11모드로, LP11모드는 LP1모드로 변환되어 추출단자(B)로 반사된다.
이때 특정한 신호(λp)를 제외한 나머지 입력 신호들은 광섬유 격자(40)에서 상기 (식 1)의 위상정합 조건을 만족하지 않으므로 반사되지 않고 모두 출력단(D)으로 출력된다.
또한, 상기와 동일하게 결합영역(35)에 위치해 있는 광섬유 격자(40) 때문에 추가단(C)으로 부터 입사된 특정신호(λp)도 LP1모드는 LP11모드로, LP11모드는 LP1모드로 변환되어 출력단자로 반사되어 출력신호에 추가된다.
만일, 경사진 광섬유 격자가 투과형인 경우에도 마찬가지로 입력단에 입사하는 신호는 특정한 파장의 신호(λp)만이 광섬유 격자(40)에 의해서 LP1모드는 LP11모드로, LP11모드는 LP1모드로 변환되어 신호 추가단(C)으로 추출되고, 신호추출단(B)으로 추가되는 특정신호(λp)는 모드변환 과정을 거쳐서 출력단으로 출력된다. 이때 나머지 신호들은 위상정합 조건식(식 2)을 만족시키지 않으므로 출력단으로 모두 출력된다.
아울러, 도 9b 와 도 9c 에 도시된 본 발명의 비대칭 결합기형 필터(39,41)에서 사용된 광섬유는 상기 도 7b와 도 7c에서와 같이 이중코어 광섬유(도 9b) 또는 D-타입 광섬유(도 9c)로 대치할 수 있음은 물론이며, 동작원리는 상기와 동일하므로 설명을 생략한다.
한편, 도 9d 는 폴리쉬드(polished) 타입의 광섬유 커플러를 이용한 광섬유 필터(43)로서, 두 개의 광섬유(32,34)가 서로 접하는 결합영역(45)의 외측면을 연마하여 갈아내어 결합부에서의 광섬유 코어의 간격(d)이 충분히 가깝도록 하고, 또한 상기 두 개의 광섬유가 접하는 접합부(45)에서의 어느 일측 광섬유 또는 광섬유 코어에 본 발명의 경사진 광섬유 격자(47)을 형성시킨 것이다.
한편, 상기 도 9a 내지 도 9c 에서도 두 개의 광섬유를 결합한 결합영역(35)에서도 인접한 광섬유 코아간의 간격은 모드변환이 일어날 수 있도록 충분히 가깝도록 형성해야 한다.
또한 상기 도 9a 내지 도 9d 에 도시된 비대칭 결합기형 필터에 있어서, 두 개의 광섬유 코아가 충분히 인접하도록 형성하기 위한 방법으로는, 광섬유의 클래딩부를 식각(etch)하거나 연마 또는 열을 가하여 용융시켜 테이퍼링 하는 방법, 또는 상기한 방법의 조합으로 구현할 수 있다.
한편 도 10 은 상기 도 9a 내지 도 9d 에 도시된 비대칭 결합기형 필터에 있어서, 두 개의 광섬유 코아가 충분히 인접해 있는 결합영역(35,45)에 형성되는 광섬유 격자(40,47)의 형태를 도시한 도면이다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 비대칭 결합기형 필터의 두 개의 광섬유 코아(36,38)가 충분히 인접해 있는 결합영역(35,45)에 형성되는 광섬유 격자로는 본 발명에 의한 양방향의 경사진 광섬유 격자(13,15)를 제작하여 형성시킬 수 있으며, 또한 본 발명의 상기 양방향의 경사진 광섬유 격자(13,15) 대신 단일방향의 경사진 광섬유 격자(3.7,9)를 제작하여 형성시킬 수도 있다.
이 경우 앞서 언급한 바와 같이, 필터의 성능은 다소 떨어질 수 있으나 여전히 동일한 필터의 역할을 수행할 수 있다.
지금까지 설명한 광섬유 격자나 광섬유 소자는 평면도파로 위에 본 발명을 그대로 적용하는 경우 평면도파로형 격자, 평면도파로형 모드 변환기 및 평면도파로형 필터가 구현될 수 있다.
도 9a 와 같은 기능을 갖는 평면도파로형 비대칭 결합기형 필터는 광섬유 대신 평면도파로를 사용하여 구현할 수 있으며, 이때 결합영역(35)에 형성되는 격자는 도 10a 내지 도10c 와 같다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 양방향의 경사진 광섬유 격자는 기존 광섬유 보다 광의 투과 및 반사 시에 모드간의 변환효율이 높아 모드 변환기 및 광필터 등의 광소자로 이용될 수 있으며, 특히 광섬유커플러의 결합영역에 본 발명의 경사진 광섬유 격자를 제작하여 형성하면 광 추출(drop)효율과 추가(add) 효율이 향상되고, 잡음이 감소된 커플러형 필터를 구현할 수 있는 잇점이 있다.
마찬가지로 광섬유 커플러의 결합영역에 단일방향으로 경사진 광섬유 격자를 제작하여 커플러형 필터를 구현하는 경우, 필터의 성능은 상기 양방향의 경사진 광섬유 격자를 구비한 필터에 비해서 다소 떨어질 수도 있으나, 쉽게 구현할 수 있어 제작비용을 줄일 수 있는 잇점이 있다.

Claims (20)

  1. x축과 y축으로 이루어지는 광섬유 임의면에 대해 상기 x 축 방향과 y 축 방향으로 일정각도(θ)만큼 경사진 격자구조를 가지되, 하나의 단일방향(x축 방향)으로 경사진 광섬유 격자상에 다른 단일 방향(y축 방향)으로 경사진 광섬유 격자를 중첩시켜, 특정파장에서 광의 모드변환이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 경사진 광섬유 격자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 격자는 반사형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 격자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 격자는 투과형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 격자.
  4. 두 개의 일반 단일모드로 된 제1 및 제 2광섬유가 간격이 이격되어 횡방향으로 배열되되, 신호가 내부로 입력되는 신호 입력단(A)과, 신호가 추출되는 신호 추출단(B)으로 된 신호 입력, 추출 광섬유 도파부(24)와;
    상기 입력, 추출 광섬유 도파부(24)와 대칭된 구조를 가지며, 신호 추가단(C)과 신호 출력단(D)으로 된 신호 추가 및 출력 광섬유 도파부(26)와;
    상기 신호 입력, 추출 광섬유 도파부(24)와 상기 신호 추가 및 출력 광섬유도파부(26)의 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 광섬유(21,23)가 융착결합되어 가늘어진 결합영역(19)내에 경사진 광섬유 격자를 구비시켜, 상기 경사진 격자내로 들어오는 신호에 대해 특정파장에서 모드변환이 이루어지도록 하는 모드 변환부(17)를 포함하는 구성으로 되는 광섬유 커플러형 필터의 역할을 하는 광섬유 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 경사진 광섬유 격자는 x축 방향과 y축 방향의 양방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 양광섬유 격자는 x축 방향 또는 y축 방향의 단일 방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유 격자는 x축 방향 또는 y축 방향의 단일 방향으로 경사진 투과형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유는 이중코어 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유는 D-타입 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자.
  10. 두 개의 광섬유 중 적어도 하나는 이중모드광섬유로 된 제1 및 제 2광섬유 (32a,34a)가 간격이 이격되어 횡방향으로 배열되되, 신호가 내부로 입력되는 신호 입력단(A)과, 신호가 추출되는 신호 추출단(B)으로 된 신호 입력, 추출 광섬유 도파부(51)와;
    상기 입력, 추출 광섬유 도파부(51)와 대칭된 구조를 가지며, 신호 추가단(C)과 신호 출력단(D)으로 된 신호 추가 및 출력 광섬유 도파부(53)와;
    상기 신호 입력, 추출 광섬유 도파부(51)와 상기 신호 추가 및 출력 광섬유 도파부(53)의 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 광섬유(32,34)내의 광섬유 코어 (36,38)간의 간격이 소정의 방법으로 매우 가까워지도록 형성된 결합영역(35)내에 경사진 광섬유 격자(40)를 구비시켜, 상기 경사진 격자내로 들어오는 신호에 대해 특정파장에서 모드변환이 이루어지도록 하는 모드 변환부(49)를 포함하는 구성으로 되어 비대칭 결합기형 필터의 역할을 하는 광섬유 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 경사진 광섬유 격자는 x축 방향과 y축 방향의 양방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 경사진 광섬유 격자는 x축 방향과 y축 방향의 양방향으로 경사진 투과형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 경사진 광섬유 격자는 x축 방향 또는 y축 방향의 단일 방향으로 경사진 반사형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 경사진 광섬유 격자는 x축 방향 또는 y축 방향의 단일 방향으로 경사진 투과형 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 광섬유는 이중코어 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 광섬유는 D-타입 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 비대칭 결합기형 광섬유 필터로 폴리쉬 타입 광섬유 커플러를 이용하는 것을 것을 특징으로 하는 광섬유 소자.
  18. 두 개의 평면도파로 중 적어도 하나는 이중모드 평면도파로로 된 제1 및 제 2 평면도파로가 일정 간격이 이격되어 횡방향으로 배열되되, 신호가 내부로 입력되는 신호 입력단과, 신호가 추출되는 신호 추출단으로 된 신호 입력, 추출 평면도파로 도파부와;
    상기 입력, 추출 평면도파로 도파부와 대칭된 구조를 가지며, 신호 추가단과 신호 출력단으로 된 신호 추가 및 출력 평면도파로 도파부와;
    상기 신호 입력, 추출 평면도파로 도파부와 상기 신호 추가 및 출력 평면도파로 도파부의 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 평면도파로내의 평면도파로간의 간격이 소정의 방법으로 매우 가까워지도록 형성된 결합영역내에 경사진 격자를 구비시켜, 상기 격자내로 들어오는 신호에 대해 특정파장에서 모드변환이 이루어지도록 하는 모드 변환부를 포함하는 구성으로 되어 비대칭 결합기형 필터의 역할을 하는 평면도파로 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 경사진 격자는 x축 방향 또는 y축 방향의 단일 방향으로 경사진 반사형 평면도파로 격자인 것을 특징으로 하는 평면도파로 소자
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 경사진 격자는 x축 방향 또는 y축 방향의 단일 방향으로 경사진 투과형 평면도파로 격자인 것을 특징으로 하는 평면도파로 소자.
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