KR100318918B1 - 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유격자 필터 - Google Patents

다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유격자 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터 장치에 관한 것으로서, 개시된 광섬유 격자 필터는 장주기 광섬유 격자들이 주기적으로 형성된 코아; 상기 코아를 감싸는 클래딩; 및 상기 클래딩을 감싸 보호하는 코팅부를 포함하여 장주기 광섬유 격자가 새겨진 광섬유에 있어서, 첨가되는 제1도판트에 의해서 온도 증가에 따라서 커플링 파장이 양의 파장이동을 갖는 코아; 상기 코아의 굴절률 보다 작은 내부 클래딩; 및 상기 내부 클래딩의 굴절률보다 작으며, 첨가되는 제2도판트에 의해서 온도 증가에 따른 굴절률 값이 커짐으로 해서 음의 파장이동을 갖는 외부 클래딩으로 구성되어 양의 파장이동과 음의 파장이동의 상쇄효과가 일어나 온도보상된다.

Description

다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터 {TEMPERATURE COMPENSATED LONG PERIOD OPTICAL FIBER GRATING FILTER USING MULTI CLADDING STRUCTURE}
본 발명은 광섬유 격자(optical fiber grating)에 관한 것으로서, 특히 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터에 관한 것이다.
통상적으로 광섬유(optical fiber)의 코아로(core) 진행하는 특정 파장 (wavelength)을 선택하기 위한 필터(filter)로서, 자외선 영역의 레이저를 이용하여 광섬유내의 굴절률에 주기적인 변화를 유도하여 특정 파장의 빛을 제거하거나 반사시킬 수 있는 광섬유 격자가 사용된다. 이러한 광섬유 격자의 예로는 단주기 광섬유 격자들(short-period fiber gratings)과 장주기 광섬유 격자들(long-period fiber gratings)을 들 수 있다.
단주기 광섬유 격자는 특정 파장만을 반사시켜 필터링 기능을 수행하는 반면에, 장주기 광섬유 격자는 광섬유의 코아로 진행하는 코아 모드(core mode)를 클래딩 모드(cladding mode)로 커플링(coupling)시키는 소자이다. 이들 중에 수십에서 수백㎛의 거리 주기를 갖는 장주기 광섬유 격자들은 진행하는 코아 모드의 빛을 진행방향의 클래딩 모드로 커플링시켜 원하는 특정 파장의 빛을 제거시킬 수 있기 때문에 어븀첨가 광섬유 증폭기 (EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier)의 이득평탄화용 필터로서 사용된다.
이러한 장주기 광섬유 격자들은 자외선에 민감(sensitive)한 광섬유의 코아에 주기적 거리로 굴절률 변화를 주어 제작한다. 이때, 자외선에 노출된 부분은 굴절률이 증가하고, 그렇지 않은 부분은 굴절률 변화가 없기 때문에 광섬유 길이방향으로 주기적인 굴절률 변화가 발생한다.
한편, 장주기 광섬유 격자들은 온도에 민감한 특성 변화를 가지며, 광섬유 클래딩 외부의 굴절률에 의해서도 광특성의 영향을 받는다. 또한, 코아와 클래딩 모드의 모드 커플링(mode coupling)에 의해서 결정되는 장주기 광섬유 격자들의 중심파장과 소광비(extinction ratio)는 광섬유의 미소 구부러짐(micro bending)등에 의해서 크게 영향 받는다.
이러한 장주기 광섬유 격자 필터장치는 하기 수학식 1과 같은 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하는 경우에 커플링이 일어난다.
상기 수학식 1에서,는 코아 모드의 전파 상수 (propagation constant)이고,는 m차 클래딩 모드의 전파 상수 (propagation constant)이고,는 격자 주기 (grating period)이다.
상기 수학식 1에서(여기서,은 굴절률,는 파장)을 대입하면 수학식 2와 같이 나타난다.
어떤 파장의 광을 클래딩 모드로 변경시키려면 격자주기(Λ)와 굴절률차를 정하면 된다.
굴절률차는 자외선에 민감한 광섬유에 자외선 레이저(UV laser)를 적절히 감광시켜 얻을 수 있다. 즉, 특정 격자주기 Λ를 갖는 마스크로 자외선에 민감한 광섬유를 마스킹하고, 마스크위에 자외선 레이저를 주사하게 되면 광민감성 광섬유는 반응하여 코아의 굴절률이 증가하게 된다. 굴절률의 증가에 따라 커플링 파장은 장파장쪽으로 증가하게 된다. 원하는 장주기 광섬유 격자 필터장치의 스펙트럼, 다시 말해서 원하는 커플링 파장과 소광비(extinction ratio)를 얻기 위해서는 마스크 주기를 정확히 조절하여 적정시간동안 자외선 레이저를 조사해야 한다.
이렇게 제작된 장주기 광섬유 격자들의 커플링 파장은 온도에 의해서도 영향을 받는다. 온도 변화에 따른 커플링 파장의 이동은 온도 변화에 따른 굴절률 변화와 온도 변화에 따른 길이의 열팽창에 의해 결정된다. 이를 수학식 3을 나타내면다음과 같다.
상기 수학식 3에서 T는 온도를 나타낸다. 일반적인 실리카 광섬유의 경우,는 5∼15㎚/100℃이며, 온도 의존성을 낮추는 방법은항목을 음으로 만들거나,항목을 0으로 만들면 된다. 일반적인 통신용 광섬유나 분산 천이 광섬유(Distribution Shifted Fiber)에 장주기 광섬유 격자 필터장치가 제작되는 경우, 수학식 3의 우변 첫째항에 따른 값은 우변 두번째항에 따른 값에 비해 수십배 정도 크기 때문에 우변 두번째항은 고려하지 않는다. 예를 들어, 코닝(corning)사의 플렉스코아 1060(Flexcor 1060)의 경우 커플링 파장은 온도 100℃당 5nm정도 이동한다. 전형적인 분산 천이 광섬유의 경우 길이 팽창에 의한 커플링 파장의 이동은 온도 100℃당 0.3nm 정도인데 반해 굴절률 변화에 의한 커플링 파장의 이동은 5nm 정도이다. 그러나 실제 응용시스템에서 장주기 광섬유 격자 필터의 응용분야중 하나인 이득평탄화 필터 (gain flatted filter)의 경우 100℃당 0.3nm 정도의 온도 안정성(temperature stability)을 요구하고 있다.
이러한 온도 보상을 위해 종래에는 광섬유내의 굴절율 분포를 디자인 하거나, 수학식 3의부분이 음의 값을 가지도록 광섬유 격자의 주기를 선택하였다. 다른 방법으로는 수학식 3의를 0으로 만들기 위해 B2O3를 첨가하는 방법이 있다.
종래의부분이 음의 값을 가지도록 필터내의 굴절률을 조절하는 방법에 있어서, 일반적인 장주기 광섬유 격자 필터들에서 Λ< 100㎛ 일 경우는가 음으로 알려져 있다. 코닝사의 Flexcor 1060 fiber의 경우 Λ= 40㎛에 대해 파장의 온도의존성은 0.15~0.45㎚/100℃ 이지만, 모드가 1.1㎛ 영역으로 통신영역에서 벗어나 있다.
또한,항목을 0으로 만들기 위한 방법으로는 하기 수학식 4를 이용한다.
상기 수학식 4에서,는 열 팽창 항목으로, 실리카의 경우 aSiO2=5.5×10-7/℃로, 파장 의존성에 기여하는 정도는 100℃당 0.1㎚이하로 미미하므로 무시하도록 한다.에 의한 효과는 하기 수학식 5로 표현될 수 있다.
코어에 GeO2(dnGe/dT＞dnSiO2)와 B2O3(dnB/dT＜dnSiO2/dT)을 적당량 첨가하면,항목을 0으로 만들수 있다. 이러한 온도보상효과를 얻는 방법이 EP 0800 098 A2(OPTICAL WAVEGUIDE GRATING AND PRODUCTION METHOD THEREOF)에 상세히 개시되어 있다.
한편, 격자의 온도 보상을 위하여 본 출원인에 의해 이미 온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터장치가 출원되었다. 온도 보상 장주기 광섬유 격자를 위한 클래딩 외부 리코팅 재료의 조건은 2가지로 구분될 수 있다. 첫번째 재료 메카니즘 (material mechanism)으로, 본 발명자에 의해 발명되어 기출원된 특허출원번호 제1999-8332호에 개시된 재료 시스템은 코어에 Ge의 농도가 상대적으로 많아 코어의 dn/dT가 클래딩의 dn/dT보다 큰 경우, 즉 온도가 증가함에 따라 장주기 광섬유 격자의 커플링 피크가 장파장쪽으로 이동하는 경우로, 이때 리코팅재료로 요구되는 조건은 온도가 증가함에 따라서 굴절율이 증가하여 코팅 재료의 굴절률에 의해 단파장 이동효과를 유도해야 한다.
두번째 재료 메카니즘으로, 본 발명자에 의해 발명되어 기출원된 특허출원번호 제1999-38267호에 개시된 재료 시스템은 Ge/B를 같이 첨가하여 코어의 dn/dT가 클래딩의 dn/dT보다 작은 경우로, 이때, 장주기 광섬유 격자의 모드는 온도가 증가함에 따라서 단파장 효과를 나타내며, 요구되는 클래딩 외부 코팅 재료의 특성은 온도가 증가함에 따라 굴절률이 증가하여 리코팅에 의한 효과가 장파장이동으로 장주기의 단파장 이동효과를 보상해야 한다. 위의 두경우 클래딩 외부 코팅 재료의 초기 굴절율 값이 클래딩의 굴절률 값보다 작아 코어 모드와 클래딩 모드 둘다 가이드할 수 있어야 한다.
일반적인 리코팅부 특히, 폴리머 재질은 온도가 증가함에 따라서 열팽창이일어나게 되어 굴절률이 감소한다. 따라서, 일반 광섬유로 제작된 장주기 광섬유 격자에 일반적인 폴리머 재질로 리코팅을 할 경우, 장주기 광섬유 격자의 장파장 이동특성에 리코팅에 의한 장파장 이동특성이 더해져 더 큰 장파장 이동특성을 보이게 되어 온도가 증가함에 따라서 굴절률이 감소하는 특수한 리코팅 재질을 사용해야 하는 어려움이 발생하였다.
또한, 상기 출원번호 제99-38267호에 개시된 온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터 장치는 외부 환경에 매우 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상을 구현한 장주기 광섬유 격자 필터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 광섬유가 다중 클래딩 구조로 되어 있기 때문에 외부환경에 민감하지 않은 온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 클래딩 모드가 내부 클래딩에 의해 결정되므로 코어 모드와 클래딩 모드의 중첩 적분이 커서 커플링 효율이 좋은 장점이 있어 장주기 광섬유 격자 제조시에도 쉽게 커플링 모드를 성장시킬 수 있는 장주기 광섬유 격자 필터를 제공함에 있다.
도 1은 패키지화된 장주기 광섬유 격자 필터를 나타내는 사시도.
도 2는 패키지화된 장주기 광섬유 격자 필터의 일부를 절개하여 장주기 광섬유 격자를 나타내는 사시도.
도 3은 장주기 광섬유 격자 필터 장치의 커플링 메카니즘을 나타내는 단면도.
도 4는 클래딩 외부 굴절률에 따른 파장이동을 나타내는 그래프.
도 5는 도판트 첨가량에 따른 굴절률 변화를 나타내는 그래프.
도 6은 순수한 B2O3의 온도에 대한 굴절률 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따라서 이중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터 장치의 광섬유 프로파일 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따라서 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터 장치의 광섬유 프로파일을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따라서 이중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터 장치의 광섬유 프로파일 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 바람직한 제4실시예에 따라서 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터 장치의 광섬유 프로파일을 나타내는 도면.
상기한 기술적 과제들을 해결하기 위하여 본 발명은 장주기 광섬유 격자들이 주기적으로 형성된 코아; 상기 코아를 감싸는 클래딩; 및 상기 클래딩을 감싸 보호하는 코팅부를 포함하여 장주기 광섬유 격자가 새겨진 광섬유에 있어서, 첨가되는 제1도판트에 의해서 온도 증가에 따라서 커플링 파장이 양의 파장이동을 갖는 코아; 상기 코아의 굴절률 보다 작은 내부 클래딩; 및 상기 내부 클래딩의 굴절률보다 작으며, 첨가되는 제2도판트에 의해서 온도 증가에 따른 굴절률 값이 커짐으로 해서 음의 파장이동을 갖는 외부 클래딩으로 구성되어 양의 파장이동과 음의 파장이동의 상쇄효과가 일어나 온도보상된다.
본 발명은 장주기 광섬유 격자들이 주기적으로 형성된 코아; 상기 코아를 감싸는 클래딩; 및 상기 클래딩을 감싸 보호하는 코팅부를 포함하여 장주기 광섬유 격자가 새겨진 광섬유에 있어서, 첨가되는 제1도판트에 의해서 온도 증가에 따라서 커플링 파장이 음의 파장이동을 갖는 코아; 상기 코아의 굴절률 보다 작은 내부 클래딩; 및 상기 내부 클래딩의 굴절률보다 작으며, 첨가되는 제2도판트에 의해서 온도 증가에 따른 굴절률 값이 작아짐으로 해서 양의 파장이동을 갖는 외부 클래딩으로 구성되어 양의 파장이동과 음의 파장이동의 상쇄효과가 일어나 온도보상된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
일반적으로 광섬유에 장주기 광섬유 격자들을 형성시키기 위해서는 일단 소정의 길이로 광섬유 코팅부를 제거한다. 그 후, 코팅부가 벗겨진 부위에 자외선 레이져와 진폭 마스크를 이용하여 장주기 광섬유 격자들을 제작한다.
도 1은 패키지화된 광섬유 격자 필터를 나타내는 사시도이다. 도 2는 패키지화된 광섬유 격자 필터의 일부를 절개하여 장주기 광섬유 격자들을 나타내는 사시도이다. 도 3은 장주기 광섬유 격자 필터의 커플링 구조를 나타내는 도면이다. 도 1, 도 2에 도시된 바와같이, 패키지화된 장주기 광섬유 격자 필터는 장주기 광섬유 격자(105)들이 소정의 주기로 형성된 코아(101)와, 상기 장주기 광섬유 격자(105)들이 형성된 코아(101)를 감싸는 클래딩(102) 그리고 상기 클래딩(102)을 감싸고 벗겨지지 않은 코팅부(103) 및 상기 장주기 광섬유 격자(105)들에 형성되는 리코팅부(104)로 구성된다.
도 3에 장주기 광섬유 격자 필터의 커플링 구조가 보여진다. 도 3을 참조하면, 상기 코아(10)의 기본 도파 모드(fundamental guided mode)는 굴절률 변화부분즉, 장주기 광섬유 격자(105)를 만나면서 산란된다. 산란된 광이 클래딩(102)으로 커플링 됨에 따라 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하는 파장은 코히런트하게(coherently) 보강된다. 이러한 파장의 일부가 클래딩(102) 외부로 빠져 나감에 따라 장주기 광섬유 격자 필터는 파장에 종속하는 감쇠기 (wavelength dependent attenuator)로 동작한다. 기본 도파 모드로 진행하는 광은 굴절률의 변화부분, 즉 격자(105)부분(장주기 광섬유 격자)을 통과하면서 세기가 감소(화살표의 굵기가 길이방향으로 진행할 수록 점점 가늘어짐)하고, 상기 클래딩(12)으로 커플링되는 파장을 갖는 광의 세기는 점점 증가함(화살표의 굵기가 점점 굵어짐)을 알 수 있으며, 이러한 광섬유 격자을 지난 커플링 파장의 세기는 광섬유 길이방향으로 진행함에 따라 점점 증가하게 되어, 광 감쇠기 역할을 수행하게 된다.
이때 장주기 광섬유 격자(105)가 형성된 클래딩(102)의 외부 조건, 즉 공기는 굴절률 1의 값을 가지게 된다. 장주기 광섬유 격자(105)들의 형성후, 굴절률이 n인 물질로 클래딩(102)을 리코팅 (recoating)하는 경우, 커플링 조건이 달라지게 되고, 그에 따라 커플링 파장은 장파장 혹은 단파장으로 이동하게 된다.
도 4는 클래딩 외부 굴절률 변화에 대한 커플링 파장의 이동을 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와같이, 클래딩 외부의 굴절률에 따라서 커플링 피크가 이동하고 있음을 알 수 있다. 클래딩의 외부 굴절률이 공기(n=1)일때를 기준으로, 클래딩의 외부 굴절률이 1.0부터 증가함에 따라서 커플링 파장이 단파장으로 이동하다가, 클래딩의 굴절률과 같아지면 커플링 피크가 사라지고, 다시 클래딩 굴절률보타 커지면 커플링 파장이 장파장쪽으로 이동함을 알 수 있다. 즉, 클래딩외부의 굴절률이 공기일때를 기준으로, 클래딩의 굴절률이 증가하게 되면 클래딩의 굴절률보다 작은 영역에서는 파장이 단파장으로 이동함을 알 수 있고, 클래딩 굴절률보다 큰 영역에서는 장파장으로 이동함을 알 수 있다. 여기서, 단파장 이동이란 음의 파장이동을 의미하고, 장파장 이동이란 양의 파장이동을 의미한다.
상기 기술한 클래딩 외부 굴절률 변화에 따른 파장 이동에 관한 기술은 본 발명자의 논문(1997 Optics Letters : December 1, 1997/Vol. 22, No. 23, 'Displacement of the resonant peaks of a long-period fiber grating induced by a change of ambient refractive index')에 상세히 개시되어있다.
상기 기술한 바와 같이, 본 발명은 장주기 광섬유 격자의 상기한 성질을 이용하여 온도 보상을 할 수 있는 광섬유 프로파일을 디자인 하고자 한다. 아울러, 본 발명은 다중 클래딩 구조를 사용하여 온도 보상을 할 수 있는 광섬유를 디자인하고자 한다.
먼저, 도 5, 도 6을 참조하여 도판트 첨가량에 따른 굴절률 변화에 대해서 설명하기로 한다. 도 5는 도판트 첨가량에 따른 굴절률 변화량을 나타내는 그래프이다. 도 6은 순수한 B2O3의 온도에 대한 굴절율 변화를 나타내는 그래프이다. 아울러, 코어에 도판트로서 B2O3와 GeO2를 첨가하여 온도보상효과를 얻는 방법이 EP 0 800 098 A2 (OPTICAL WAVEGUIDE GRATING AND PRODUCTION METHOD THEREOF)에 상세히 개시되어 있다.
본 발명에 따라서 코어에 첨가되는 도판트는 단독으로 GeO2이 첨가될 수 있고, GeO2와 B2O3를 포함하여 첨가될 수 있다. 이때, 도판트가 첨가되는 코어는 첨가되는 GeO2의 양에 따라서 증가되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동과, 첨가되는 B2O3의 양에 따라서 감소되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동의 합이 양의 파장이동을 갖는다.
또한, 외부 클래딩에 첨가되는 도판트는 단독으로 B2O3이 첨가될 수 있고, GeO2와 B2O3를 포함하여 도판트로 첨가될 수 있다. 외부 클래딩에 첨가되는 GeO2의 양에 따라서 증가되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동과, 첨가되는 B2O3의 양에 따라서 감소되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동의 합이 음의 파장이동을 갖는다.
코어에 B2O3를 GeO2보다 상대적으로 적게 첨가하면, 장주기 광섬유 격자는 온도가 증가할 때, 코어/클래딩 굴절률 차이가 증가하여 양의 파장이동(커플링 파장이 장파장쪽으로 이동함)을 가지게 된다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 장주기 광섬유 격자의 온도 보상을 위한 광섬유 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다. 도 7에 도시된 바와같이, 도시된 광섬유는 코어와, 코어를 감싸는 내부 클래딩(1차 클래딩)과, 내부 클래딩을 감싸는 외부 클래딩(2차 클래딩)으로 구성된다. 도시된 광섬유의 직경크기는 125㎛이다.
장주기 광섬유 격자에서 코어 모드와 클래딩 모드가 동시에 도파되기 위해서는 외부 클래딩의 굴절률이 내부 클래딩의 굴절률보다 작아야 하고, 내부 클래딩의 굴절률이 코어의 굴절률보다 작아야 한다. 또한, 본 발명에 따른 온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터는 코어에 도판트를 첨가하여 코어/1차 클래딩에 의해서는 양의 파장이동을 가지고, 1차 클래딩의 외부 즉, 2차 클래딩의 외부 굴절률 변화에 의해서는 음의 파장이동을 가짐으로서, 서로 양의 파장이동과 음의 파장이동이 상쇄되는 효과를 이용한 것이다.
여기서 양의 파장이동이라 함은 dλ/dT＞0인 경우를 의미하고, 음의 파장이동이란 dλ/dT＜0을 의미한다. 상기 dλ/dT＜0은 dn2차 클래딩＞dT을 의미한다.
구체적으로, 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상되는 장주기 광섬유 격자 필터 장치에 대해서 살펴보면 다음과 같다. 코어에 Ge 혹은 Ge+B을 적당량 첨가하여 코어의 dn/dT가 클래딩의 dn/dT보다 큰 경우, 즉, 온도가 증가함에 따라서 파장이 양의 파장이동을 갖는 경우에 외부 클래딩에서 요구되는 특성은 내부 클래딩의 경우보다 굴절율이 작아야 하며, 온도가 증가함에 따라서 외부 클래딩의 굴절률이 증가해야 한다.
우선, 코어의 굴절률보다 작은 내부 클래딩을 얻기 위해서는 순수 실리카를 내부 클래딩으로 사용하거나, 게르마늄(Ge)과 보론(B)을 조금 첨가하여도 가능하다. 도 6에 도시된 바와같이, 도판트로서 첨가하는 보론양이 많아질수록 굴절률이 떨어지게 된다. 내부 클래딩보다 굴절률이 작으면서 동시에 온도가 증가함에 따라 외부 클래딩의 굴절률이 증가하도록 광섬유 디자인을 하기 위해서는 실리카에 보론을 첨가하면 된다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터 장치의 광섬유 굴절률 분포를 나타낸다. 도 8에 도시된 광섬유 디자인은 도 7에 도시된 광섬유와 동일한 구조이기 때문에 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 내부 클래딩(1차 클래딩)과 외부 클래딩(2차 클래딩)의 구조를 가지고, 내부 클래딩과 외부 클래딩의 경계 조건만 결정되면 온도 보상을 위한 기본 광섬유 구조는 완성된다. 도시된 광섬유는 코어와, 상기 코어를 감싸는 1차 클래딩과, 상기 1차 클래딩을 감싸는 2차 클래딩 및 상기 2차 클래딩을 감싸는 3차 클래딩을 포함한다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 장주기 광섬유 격자의 온도 보상을 위한 광섬유 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다. 도 9에 도시된 바와같이, 도시된 광섬유는 코어와, 코어를 감싸는 내부 클래딩과, 내부 클래딩을 감싸는 외부 클래딩으로 구성된다. 도시된 광섬유의 직경크기는 125㎛이다.
장주기 광섬유 격자에서 코어 모드와 클래딩 모드가 동시에 도파되기 위해서는 외부 클래딩의 굴절률이 내부 클래딩의 굴절률보다 작아야 하고, 내부 클래딩의 굴절률이 코어의 굴절률보다 작아야 한다. 또한, 본 발명의 제3실시예에 따른 온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터는 코어에 도판트를 첨가하여 코어와 1차 클래딩에 의해서는 음의 파장이동을 가지고, 외부 클래딩에 도판트를 첨가하여 1차 클래딩 외부의 굴절률 변화에 의한 효과로 양의 파장이동을 이용함으로써, 양의 파장이동과 음의 파장이동이 상쇄되는 효과를 이용한 것이다.
여기서 음의 파장이동이라 함은 dλ/dT＜0인 경우를 의미하고, 양의 파장이동이란 dλ/dT＞0을 의미한다. 상기 dλ/dT＞0은 dn2차 클래딩/dT＜0을 의미한다.
구체적으로, 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상되는 장주기 광섬유 격자 필터 장치에 대해서 살펴보면 다음과 같다. 코어에 Ge 혹은 Ge+B을 적당량 첨가하여 코어의 dn/dT가 클래딩의 dn/dT보다 작은 경우, 즉, 온도가 증가함에 따라서 파장이 음의 파장이동을 갖는 경우에 외부 클래딩에서 요구되는 특성은 내부 클래딩의 경우보다 굴절율이 작아야 하며, 온도가 증가함에 따라서 외부 클래딩의 굴절률이 감소해야 한다.
우선, 코어의 굴절률보다 작은 내부 클래딩을 얻기 위해서는 순수 실리카를 내부 클래딩으로 사용하거나, 보론 혹은 게르마늄(Ge)과 보론(B)을 조금 첨가하여도 가능하다. 도 6에 도시된 바와같이, 도판트로서 첨가하는 보론양이 많아질수록 굴절률이 떨어지게 된다. 내부 클래딩보다 굴절률이 작으면서 동시에 온도가 증가함에 따라 외부 클래딩의 굴절률이 감소하도록 광섬유 디자인을 하기 위해서는 실리카에 보론을 첨가하면 된다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 다중 클래딩 구조를 이용하여 온도 보상된 장주기 광섬유 격자 필터 장치의 광섬유 굴절률 분포를 나타낸다. 도 8에 도시된 광섬유 디자인은 도 7에 도시된 광섬유와 동일한 구조이기 때문에 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 내부 클래딩(1차 클래딩)과 외부 클래딩(2차 클래딩)의 구조를 가지고, 내부 클래딩과 외부 클래딩의 경계 조건만 결정되면 온도 보상을 위한 기본 광섬유 구조는 완성된다. 도시된 광섬유는 코어와, 상기 코어를 감싸는 1차 클래딩과, 상기 1차 클래딩을 감싸는 2차 클래딩 및 상기 2차 클래딩을 감싸는 3차 클래딩을 포함한다.
결과적으로, 코어와 외부 클래딩에 첨가되는 도판트의 종류 및 상대적인 도판트 첨가량에 따라서 커플링 파장이동이 서로 상쇄됨으로서, 장주기 격자의 온도 보상이 이루어지는 구조이다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함을 당해분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
이상으로 살펴본 바와같이, 본 발명은 이중 또는 그 이상의 다중 클래딩 구조를 이용하여 외부 환경에 민감하지 않고, 새로운 광섬유 디자인을 구현하여 온도 보상을 달성함으로서, 온도 제어기(temperature controller) 없이 다양한 환경에서 안정적으로 장주기 광섬유 격자 필터로서 사용될 수 있다. 또한, 클래딩 모드가 내부 클래딩에 의해 결정되므로, 코어 모드와 클래딩 모드의 중첩 적분(overlapping intrgral)이 커서 커플링 효율이 좋은 장점이 있어 장주기 광섬유 격자 제조시에도 쉽게 커플링 모드를 성장시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 장주기 광섬유 격자들이 주기적으로 형성된 코아; 상기 코아를 감싸는 클래딩; 및 상기 클래딩을 감싸 보호하는 코팅부를 포함하여 장주기 광섬유 격자가 새겨진 광섬유에 있어서,
    첨가되는 제1도판트에 의해서 온도 증가에 따라서 커플링 파장이 양의 파장이동을 갖는 코아;
    상기 코아의 굴절률 보다 작은 내부 클래딩; 및
    상기 내부 클래딩의 굴절률보다 작으며, 첨가되는 제2도판트에 의해서 온도 증가에 따른 굴절률 값이 커짐으로 해서 음의 파장이동을 갖는 외부 클래딩으로 구성되어 양의 파장이동과 음의 파장이동의 상쇄효과가 일어나 온도보상되는 장주기 광섬유 격자 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 클래딩이 순순한 실리카 재질로 구성된 장주기 광섬유 격자 필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1도판트는 GeO2를 포함하는 장주기 광섬유 격자 필터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2도판트는 B2O3를 포함하는 장주기 광섬유 격자 필터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1도판트는 GeO2와 B2O3를 포함하며, 상기 코아는 첨가되는 GeO2의 양에 따라서 증가되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동과, 첨가되는 B2O3의 양에 따라서 감소되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동의 합이 양의 파장이동을 갖는 장주기 광섬유 격자 필터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2도판트는 GeO2와 B2O3를 포함하며, 상기 외부 클래딩은 첨가되는 GeO2의 양에 따라서 증가되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동과, 첨가되는 B2O3의 양에 따라서 감소되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동의 합이 음의 파장이동을 갖는 장주기 광섬유 격자 필터.
  7. 장주기 광섬유 격자들이 주기적으로 형성된 코아; 상기 코아를 감싸는 클래딩; 및 상기 클래딩을 감싸 보호하는 코팅부를 포함하여 장주기 광섬유 격자가 새겨진 광섬유에 있어서,
    첨가되는 제1도판트에 의해서 온도 증가에 따라서 커플링 파장이 음의 파장이동을 갖는 코아;
    상기 코아의 굴절률 보다 작은 내부 클래딩; 및
    상기 내부 클래딩의 굴절률보다 작으며, 첨가되는 제2도판트에 의해서 온도 증가에 따른 굴절률 값이 작아짐으로 해서 양의 파장이동을 갖는 외부 클래딩으로 구성되어 양의 파장이동과 음의 파장이동의 상쇄효과가 일어나 온도보상되는 장주기 광섬유 격자 필터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 내부 클래딩이 순순한 실리카 재질로 구성된 장주기 광섬유 격자 필터.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1도판트는 B2O3를 포함하는 장주기 광섬유 격자 필터.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제2도판트는 GeO2를 포함하는 장주기 광섬유 격자 필터.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1도판트는 GeO2와 B2O3를 포함하며, 상기 코아는 첨가되는 GeO2의 양에 따라서 증가되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동과, 첨가되는 B2O3의 양에 따라서 감소되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동의 합이 양의 파장이동을 갖는 장주기 광섬유 격자 필터.
  12. 제7항에 있어서, 상기 제2도판트는 GeO2와 B2O3를 포함하며, 상기 외부 클래딩은 첨가되는 GeO2의 양에 따라서 증가되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동과, 첨가되는 B2O3의 양에 따라서 감소되는 굴절률에 의한 커플링 파장이동의 합이 음의 파장이동을 갖는 장주기 광섬유 격자 필터.
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