KR100318903B1 - 장주기 광섬유 격자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자는, 서로 상이한 격자 주기를 가지고 상기 격자 주기의 분포가 임의의 기준 섹션을 중심으로 비대칭이며 각각 격자 주기의 2배 이상의 길이를 가진 다수개의 섹션들로 구성된다.

Description

장주기 광섬유 격자{LONG PERIOD OPTICAL FIBER GRATING}
본 발명은 광섬유 격자(optical fiber grating)에 관한 것으로서, 특히 장주기 광섬유 격자(long period grating)에 관한 것이다.
광섬유 격자를 형성하는 방법으로 대표적인 것이 광민감성 광섬유에 자외선을 조사하여 상기 광섬유의 굴절률을 변화시키는 것이다.
상기 광민감성 광섬유는 자외선이 입사되었을 때, 광섬유의 굴절률이 영구적으로, 또는 몇십 년 동안 변화된 상태를 유지한다. 초기에는 이러한 현상이 게르마늄(germanium)이 도핑(doping)된 광섬유들에 국한된 것으로 생각했지만, 현재는 게르마늄을 포함하지 않는 다양한 재질의 광섬유들에서도 이러한 현상이 발견되고 있다.
도 1은 종래의 균일한 격자 주기를 가지는 장주기 광섬유 격자를 나타내는 도면이다. 도시된 장주기 광섬유 격자(112)는 전체 격자 길이(L11)에 대하여 균일한격자 주기(Λ11)을 갖는다.
도 2는 도 1에 도시된 장주기 광섬유 격자(112)의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다. 통상적인 장주기 격자의 제작 방법은 반도체 제작 공정에서 흔히 볼 수 있는 포토리소그래피(photolithography) 공정과 유사하다. 즉, 다수의 슬릿들(slit, 114)로 구성된 진폭 마스크(amplitude mask, 113)에 자외선을 조사하여, 상기 진폭 마스크(113)의 형상을 광섬유(111)에 패터닝(patterning)하는 것이다. 이러한 과정으로, 상기 광섬유(111)에는 일정 주기(Λ11)와 길이(L11)를 가지는 장주기 광섬유 격자(112)가 형성된다. 또한, 도면에서 상기 진폭 마스크(113)의 상부에 다수의 렌즈들로 구성된 렌즈계(미도시)를 두어, 상기 장주기 광섬유 격자(112)의 주기(Λ11)를 변화시킬 수가 있다. 즉, 상기 진폭 마스크(113)의 형상을 확대 또는 축소하여 상기 광섬유(111)에 패터닝할 수가 있는 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 진폭 마스크(113)를 나타내는 사시도이다. 상술한 바와 같이, 상기 진폭 마스크(113)는 도 2에 도시된 장주기 광섬유 격자(112)와 유사한 형태를 가진다. 상기 진폭 마스크(113)는 일정한 주기(Λ12)를 가지며, 일렬로 배열된 다수의 슬릿들(114)로 구성된다.
도 4는 종래의 감쇠기를 구비한 광섬유 증폭기를 나타내는 도면이다. 광신호는 광섬유(141) 내로 진행하면서, 상기 광섬유(141)의 고유한 손실 특성으로 인해 점차적으로 감쇠된다. 따라서, 장거리 광통신의 경우에 있어서는, 광신호의 최초 송신단과 최종 수신단의 경로 상에 다수의 중계기들을 설치하게 되고, 상기 각 중계기는 상기 감쇠된 광신호를 증폭하는 광증폭기(optical amplifier)를 구비하는 것이 통상적이다. 광증폭기가 등장하기 이전에는 상기 광신호를 전기적으로 증폭하는 방식을 많이 취해왔다. 즉, 상기 광신호를 전기 신호로 변환한 후 상기 전기 신호를 증폭하고, 다시 상기 증폭된 전기 신호를 광신호로 변환하는 것이다. 그러나, 통상적으로 상기 광신호를 전기 신호로 변환하지 않은 상태에서 증폭하는 광증폭기를 사용한다. 이러한 광증폭기들 중에서 어븀 첨가 광섬유 증폭기(erbium doped fiber amplifier)는 상기 어븀 첨가 광섬유 내로 진행하는 광신호를 상기 어븀 이온의 밀도 반전(population inversion)을 이용하여 증폭시킨다. 도 4에서는 광신호의 전송 매체인 광섬유(141)와, 역행하는 광을 차단하기 위한 아이솔레이터(isolator, 143 및 149)와, 상기 광신호를 증폭시키는 어븀 첨가 광섬유(146)와, 상기 어븀 첨가 광섬유(146) 내의 어븀 이온을 여기시키기 위한 펌핑광을 출력하는 펌핑 광원(144 및 148)과, 상기 펌핌광을 상기 광섬유(141)로 결합하는 광결합기(145 및 147)로 구성된 어븀 첨가 광섬유 증폭기(142)가 도시되어 있다. 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기(142)의 후단에는 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기(142)의 파장에 따른 이득 곡선(gain curve)을 평탄화하기 위한 감쇠기(attenuator)를 두는 것이 통상적이다. 도 4에서는 9 채널(channel)의 광신호가 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기(142)로 입력되어 증폭된 후, 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기(142)에서 출력된 광신호의 채널별 파워가 일정치 않게 되는 것을 도시하고 있다. 이는, 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기(142)의 파장별 이득값이 하나의 값을 가지지 못한다는데 기인한다. 현재, 광통신은 파장 다중화(wavelengthdivision multiplexing) 방식을 채택하여 다수의 채널들을 하나의 광섬유를 통하여 송신 또는 수신하고 있으며, 상기 채널들의 파장 간격은 사용 가능한 파장 대역의 제한으로 인하여 점점 좁아지고 있는 추세이다. 따라서, 상술한 바와 같이 각 채널별 파워가 일정치 않다면, 잡음 또는 채널들 간의 간섭 등으로 인하여 상기 채널로 전송되는 정보의 손실 위험이 커지게 된다. 통상적으로, 상기 증폭된 광신호의 각 채널별 파워를 평탄화하기 위해서, 별도의 감쇠기(150)를 사용한다. 상기 감쇠기(150)를 구성하는 장주기 광섬유 격자(151, 152 또는 153)는 중심 파장에서 피크치(peak value)를 나타내는 가우시안 함수(Gaussian-like function) 형태의 손실 곡선을 가진다.
전송되는 광신호의 사용 파장 대역이 좁은 경우에는 하나의 장주기 광섬유 격자(151, 152 또는 153)만으로도 이득 평탄화(gain flattening)를 할 수 있으나, 사용 파장 대역이 넓은 경우에는 다수의 장주기 광섬유 격자들(151, 152 및 153)을 조합하여 사용한다.
도 5는 종래의 감쇠기로 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 이득 곡선을 평탄화하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 상술한 바와 같이, 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 사용 파장 대역에서 어느 정도 평탄화된 이득 곡선을 가져야한다. 도시한 바와 같이, 사용 파장 대역이 40 ㎚에 이를 정도로 넓은 경우에 특정한 형태, 즉 가우시안 함수 형태를 가지는 하나의 손실 곡선(LPG1, LPG2 또는 LPG3)만으로 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 이득 곡선(EDFA)을 평탄화한다는 것은 거의 불가능하다.
이러한 이득 평탄화의 기본 개념은, 이득이 높은 파장에서는 손실을 많이 주고 이득이 낮은 파장에서는 손실을 적게 준다는 것이다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 세 개의 장주기 광섬유 격자들의 손실 곡선들(LPG1, LPG2 및 LPG3)을 중첩하여 형성되는 전체 손실 곡선(감쇠기)은 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 이득 곡선(EDFA)과 그 형태가 비슷해야 한다. 따라서, 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기와 세 개의 장주기 광섬유 격자들의 조합으로 형성되는 전체적인 이득 곡선(EDFA + 감쇠기)은 어느 정도 평탄해진다.
상술한 바와 같이, 종래에는 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 이득 평탄화하려는 사용 파장 대역이 넓었을 경우에, 감쇠기로서 다수의 장주기 광섬유 격자들의 조합을 사용함에 따라 상기 감쇠기의 집적성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 또한, 상기 각각의 장주기 광섬유 격자의 손실 곡선의 형태가 다양하지 못하므로, 가우시안함수와 같은 특정 형태만을 가지는 손실 곡선들의 조합으로 원하는 형태의 손실 곡선을 구현하는데에 따른 어려움이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 다양한 파장별 손실 곡선을 구현할 수 있는 장주기 광섬유 격자를 제공함에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 넓은 파장 대역에 걸쳐서 적용이 가능한 장주기 광섬유 격자를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자는, 서로 상이한 격자 주기를 가지고 상기 격자 주기의 분포가 임의의 기준 섹션을 중심으로 비대칭이며 각각 격자 주기의 2배 이상의 길이를 가진 다수개의 섹션들로 구성된다.
도 1은 종래의 균일한 굴절률 변조값을 가지는 장주기 광섬유 격자를 나타내는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 장주기 광섬유 격자의 제작 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 2에 도시된 진폭 마스크를 나타내는 사시도,
도 4는 종래의 감쇠기를 구비한 광섬유 증폭기를 나타내는 도면,
도 5는 종래의 감쇠기로 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 이득 곡선을 평탄화하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 6은 장주기 격자의 길이의 변화에 따른 손실 곡선의 성장 거동을 나타내는 도면,
도 7은 장주기 광섬유 격자의 주기의 변화에 따른 손실 곡선의 성장 거동을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 장주기 광섬유 격자를 나타내는 도면,
도 9는 도 8에 도시한 장주기 광섬유 격자에 대한 파장별 투과도를 나타낸도면,
도 10은 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자의 제작 장치를 나타낸 도면,
도 11 내지 도 13은 도 10에 도시된 제작 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 6은 장주기 격자의 길이의 변화에 따른 손실 곡선의 성장 거동을 나타내는 도면이다. 서로 다른 길이의 세 개의 장주기 광섬유 격자에 대한 손실 곡선들(L12, L13및 L14)이 도시되어 있다. 상기 세 개의 장주기 광섬유 격자들의 주기들 및 굴절률 변조값들은 모두 동일하며, 상기 장주기 광섬유 격자들의 길이들, L12, L13 및 L14는 (L12 < L13 < L14)의 관계가 성립한다. 도시한 바와 같이, 장주기 광섬유 격자는 그 길이가 길어질수록 중심 파장에서의 최대 손실값은 증가하고, 대역폭은 감소한다. 그러나, 그 형태는 가우시안 함수의 형태를 유지한다.
도 7은 장주기 광섬유 격자의 주기의 변화에 따른 손실 곡선의 성장 거동을 나타내는 도면이다. 서로 다른 주기의 세 개의 장주기 광섬유 격자에 대한 손실 곡선들(Λ13, Λ14및 Λ15)이 도시되어 있다. 상기 세 개의 장주기 광섬유 격자들의 길이들 및 굴절률 변조값들은 모두 동일하며, 상기 장주기 광섬유 격자들의 주기들, Λ13, Λ14및 Λ15는 (Λ13< Λ14< Λ15)의 관계가 성립한다. 도시한 바와 같이, 장주기 광섬유 격자는 그 주기가 길어질수록 중심 파장이 장파장쪽으로 이동한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 장주기 광섬유 격자를 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자(212)는 길이 방향을 따라서, 30 개의 섹션들(S1,S2,…,SM,…,S29, S30)로 분할되어 있다. 상기 섹션들(S1,S2,…,SM,…,S29, S30)의 굴절률 변조값들은 모두 동일하다. 반면에, 상기 30 개의 섹션들(S1,S2,…,SM,…,S29, S30)의 격자 주기들은 동일하지가 않다. 하기 표 1은 상기 장주기 광섬유 격자(212)의 섹션별 격자 주기를 나타낸 것이다.
섹션 번호 주기(㎛) 섹션 번호 주기(㎛)
1 180.6160 16 178.3343
2 182.5627 17 181.6744
3 170.3771 18 180.8370
4 180.2524 19 180.6969
5 179.5322 20 185.5999
6 185.5999 21 178.4235
7 181.5314 22 184.0576
8 172.4302 23 176.4190
9 185.1465 24 190.2385
10 173.8174 25 173.2020
11 189.7991 26 181.6590
12 163.7001 27 178.4267
13 198.0277 28 189.0535
14 174.5773 29 183.4862
15 180.2289 30 180.3696
이 때, 각 섹션 번호는 상기 장주기 광섬유 격자(212)의 길이 방향을 따라서 차례대로 붙인 것이다.
도 9는 도 8에 도시한 장주기 광섬유 격자(212)에 대한 파장별 투과도를 나타낸 도면이다. 종래의 장주기 광섬유 격자는 가우시안 함수 형태의 투과도 그래프, 즉 하나의 극소값을 갖는 그래프였던 반면에, 도시된 그래프는 1.535 nm 및1.557 nm 근처에서 두개의 극소값들을 가진다. 본 발명에 따른 하나의 장주기 광섬유 격자로 종래의 최소 두 개의 격자들의 조합으로 만들어낼 수 있던 파장별 투과도 곡선을 만들 수가 있는 것이다. 즉, 종래의 다수 개의 장주기 광섬유 격자들의 조합으로 만들 수 있는 파장별 투과도 곡선을 본 발명에 따른 하나의 장주기 광섬유 격자로 구현할 수가 있다.
도 10은 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자의 제작 장치를 나타낸 도면이다. 자외선 광원(241)으로부터 자외선이 출력되며, 상기 출력된 자외선은 평면-볼록 렌즈(243)와 평면-오목 렌즈(244)로 구성된 렌즈계(242)로 입사한다. 상기 평면-볼록 렌즈(243)와 평면-오목 렌즈(244) 사이의 거리(d)를 조절함으로써 상기 평면-오목 렌즈(244)로부터 출사하는 자외선의 발산점을 또는 수렴점의 위치를 조절할 수가 있다. 상기 광학계(242)를 출사한 자외선은 진폭 마스크(245)로 입사한다. 상기 진폭 마스크(245)는 일정 주기를 갖는 다수의 슬릿들로 구성되며, 상기 입사하는 자외선을 선택적으로 통과시킨다. 상기 진폭 마스크(245)를 통과한 자외선은 슬릿(248)으로 입사한다. 상기 슬릿(248)은 상기 진폭 마스크(245)를 통과하여 해당 섹션(SM) 이외의 부분으로 입사하는 자외선을 차단하는 역할을 한다. 또한, 상기 슬릿(248)은 설정된 일정 시간동안 정지 상태를 유지하며, 상기 정해진 시간이 흐르면 다음 섹션(SM+1)의 위치로 이동한다. 또한, 상기 슬릿(248)이 이동함과 동시에 상기 광학계(242)를 구성하는 평면-볼록 렌즈(243)와 평면-오목 렌즈(244) 사이의 거리(d)는 다음 섹션(SM+1)의 격자 주기에 따라 조절된다. 즉, 상기광섬유(246)에 형성되는 장주기 광섬유 격자를 구성하는 각 섹션의 격자 주기는 상기 평면-볼록 렌즈(243)와 평면-오목 렌즈(244) 사이의 거리(d)를 조절함에 따라 설정된 값을 갖게 되는 것이다.
도 11 내지 도 13은 도 10에 도시된 제작 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 10에 도시되었던 자외선 광원(241)과 슬릿(248)은 이해의 편이를 위해 생략되었다. 광학계의 발산점(249)은 상기 평면-볼록 렌즈(243)와 평면-오목 렌즈(244) 사이의 거리(d) 조절에 따라 상기 광축(247)상에서 이동 가능하다. 상기 발산점(249)과 진폭 마스크(245) 사이의 거리(x)와 상기 진폭 마스크(245)와 광섬유(246) 사이의 거리(y)에 따라 상기 광섬유(246)에 형성되는 해당 섹션의 격자 주기가 결정된다.
도 12는 도 11에 도시된 제작 장치에서 상기 광학계(242)의 발산점(249)과 광섬유(246) 사이의 거리(x+y)는 430 mm로 고정하고, 상기 발산점(249)과 진폭 마스크(245) 사이의 거리(x) 변화에 따른 해당 섹션의 격자 주기 변화를 나타낸 그래프이다. 도시한 바와 같이 상기 발산점(249)과 진폭 마스크(245) 사이의 거리(x)가 감소함에 따라 상기 해당 섹션의 격자 주기는 증가함을 알 수 있다.
도 13은 도 11에 도시된 제작 장치에서 상기 광학계(242)의 발산점(249)과 광섬유(246) 사이의 거리(x+y)는 700 mm로 고정하고, 상기 발산점(249)과 진폭 마스크(245) 사이의 거리(x) 변화에 따른 해당 섹션의 격자 주기 변화를 나타낸 그래프이다. 도시한 바와 같이, 상기 발산점(249)과 진폭 마스크(245) 사이의 거리(x)가 감소함에 따라 상기 해당 섹션의 격자 주기가 증가한다는 것은 도 12에 도시된그래프와 동일하다. 그러나, 그 증가 정도는 더 작아진 것을 알 수 있다.
지금까지, 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자를 형성하기 위하여 광민감성 광섬유에 자외선을 조사하는 방법을 사용하였다. 그러나, 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자는 다양한 방법으로 구현될 수가 있다. 예를 들어, 광섬유의 잔여 스트레스를 이용할 수가 있다. 광섬유는 광탄성 효과로 인하여 인출 장력에 기인하는 잔여 스트레스에 의하여 상기 광섬유 코아의 굴절률이 감소하게 된다. 레이저 광을 상기 광섬유에 조사하여 상기 광섬유 코아의 잔여 스트레스를 주기적으로 일부분씩 이완시키면, 상기 조사된 광섬유 코아의 굴절률이 변화되어 광섬유 격자가 형성된다. 상기 잔여 스트레스는 열적 스트레스와 기계적 스트레스로 분류되는데, 전자는 코아와 클래드 사이의 열팽창 계수의 차이에 기인하며, 후자는 코아와 클래드의 점성도 차이에 기인한다. 이러한 잔여 스트레스는 상술한 바와 같이 레이저 광을 상기 잔여 스트레스가 존재하는 광섬유 부분에 조사하여 이완되거나, 전기 아크를 적용하여 상기 전기 아크의 열에너지가 상기 광섬유 부분에 전달되어 이완될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자는 다수의 섹션들로 구성되고, 상기 섹션별 격자 주기를 비대칭 구조로 만듦으로써 다양한 파장별 손실 곡선을 구현할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 장주기 광섬유 격자에 있어서,
    서로 상이한 격자 주기를 가지고, 상기 격자 주기의 분포가 임의의 기준 섹션을 중심으로 비대칭이며, 각각 격자 주기의 2배 이상의 길이를 가진 다수개의 섹션들로 구성됨을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섹션들의 굴절률 변조값들은 모두 동일한 값을 가짐을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 섹션들의 길이들은 모두 동일한 값을 가짐을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장주기 광섬유 격자는 광섬유의 잔여 스트레스를 주기적으로 이완시켜서 형성됨을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광섬유의 잔여 스트레스는 레이저 광이 조사되어 주기적으로 이완됨을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 광섬유의 잔여 스트레스는 전기 아크를 적용하여 주기적으로 이완됨을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장주기 광섬유 격자는 진폭 마스크에 의해 선택적으로 투과된 자외선이 광민감성 광섬유에 조사되어 형성됨을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자.
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