KR100319293B1 - 이성분계실리카를이용한분산광섬유및광섬유필터 - Google Patents

이성분계실리카를이용한분산광섬유및광섬유필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분산 광섬유 및 그를 이용한 광섬유 필터에 관한 것으로서, 분산 광섬유는 제1분산물질이 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및 제2분산물질이 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩를 포함함을 특징으로 한다. 광섬유필터는 B2O3가 소정의 농도로 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및 Fluorine 이 소정의 농도로 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩을 포함함을 특징으로 한다. 다른 광섬유필터는 Fluorine 이 소정의 농도로 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및 B2O3가 소정의 농도로 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기존 광섬유와 매우 적은 손실로 접속가능하다. 그리고 기존 광섬유 제조공정 이용하여 제작가능하며, 적은 비용으로 손실이 적은 광섬유를 제작할 수 있다. 또한 기존의 분산광섬유 응용 광디바이스에 그대로 사용가능하다.

Description

이성분계 실리카를 이용한 분산광섬유 및 광섬유필터
본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 이성분계 실리카 유리를 이용한 분산 광섬유에 관한 것이다.
일반적으로 굴절율은 빛의 파장에 대한 함수이다. 도 1에 도시된 바와 같이 파장이 짧을수록 굴절율이 높다. 그런데 광 디바이스에 사용되는 일반적인 광섬유에 있어서 코아와 클래딩를 구성하는 유리들의 스펙트럴(spectral) 특성이 거의 유사하다. 도 1에 도시된 바와 같이 GeO2와 SiO2는 파장에 대한 굴절율의 차이가 전 파장에 대해 거의 일정함을 알 수 있다. 굴절율이 높은 쪽(GeO2)이 코어(core)가 되고, 굴절율이 낮은 쪽(SiO2)이 클래딩(clading)가 된다. 따라서 다양한 스펙트럴 성질을 갖는 광 디바이스를 얻기가 쉽지 않다.
굴절율 차가 파장에 따라 크게 변하는 광섬유를 분산광섬유라 하며, 상기 분산광섬유를 이용하여 만든 광디바이스에는 광섬유필터(optical fiber filter), 파장에 영향을 받지 않는 광섬유 커플러(wavelemgth insensitive coupler), 파장선택 광섬유 커플러(wavelength -selective optical-fiber coupler)등이 있다. 상기 분산 광섬유의 특성은 다음과 같다. 첫째로 굴절율의 차가 큰 파장 의존성을 갖는다.(Large Wavelength dependence of the index difference) 둘째로, 코어물질과 클래딩 물질의 굴절율이 어느 특정 파장에서 만난다.(Refractive index of core and cladding material cross at a certain wavelength) 셋째로, 광섬유를 통해 도파된 광은 코어를 클래딩로 느끼고, 그 반대로 클래딩를 코어로 느끼면서 필터 특성을 갖는다.
예를 들어 'A'라는 물질과 'B'라는 물질의 파장에 따른 굴절율의 변화가 도 2에 도시된 바와 같다고 가정하자. 그러면 상기 A 물질의 굴절율과 B 물질의 굴절율은 파장이 λcorss 에서 서로 만난다. 그리고 파장이 상기 λcorss 보다 짧은 파장 대역에서는 A물질의 굴절율이 B물질의 굴절율보다 크므로, A물질이 코어가 되고 B물질이 클래딩가 된다. 이러한 상황에서는 파장이 상기 λcorss 보다 짧은 파장의 광은 도파하고, 상기 λcorss 보다 긴 파장의 광은 분산된다. 즉 도 2에 도시된 바와 같은 굴절율 분포를 갖는 물질로 광섬유를 제조하였을 때, 광섬유의 한쪽 끝에 광신호를 인가한 후 상기 광섬유의 다른 한 쪽 끝에 출력되는 광을 측정하면, 파장이 상기 λcorss 보다 짧은 파장 대역에서는 A물질이 코어 역할을 하기 때문에 광이 도파되지만, 상기 λcorss 보다 긴 파장 대역에서는 광이 도파되지 않고 광섬유의 바깥쪽으로분산되어 도파되지 않는다. 따라서 λcorss 보다 짧은 파장 대역만을 통과시키므로 단파장통과필터(Short Wavelength Pass Filter)로 동작한다. 도 3a 및 도 3b는 파장이 상기 λcorss 보다 짧은 임의의 한 파장에서 단파장통과필터로 동작할 때의 굴절율 분포 및 파장에 따른 파워분포를 도시한 것이다.
반대로, 파장이 상기 λcorss 보다 긴 파장 대역에서는 B물질이 코어 역할을 하고 A물질이 클래딩 역할을 하기 때문에 광이 도파되다가, 상기 λcorss 보다 긴 파장 대역에서는 광이 도파되지 않고 광섬유의 바깥쪽으로 분산되어 도파되지 않는다. 따라서 λcorss 보다 긴 파장 대역만을 통과시키므로 장파장통과필터(Long Wavelength Pass Filter)로 동작한다. 도 4a 및 도 4b는 파장이 상기 λcorss 보다 긴 임의의 한 파장에서 장파장통과필터로 동작할 때의 굴절율 분포 및 파장에 따른 파워분포를 도시한 것이다.
상기 단파장통과필터와 장파장통과필터를 적절하게 조절하면, band pass filter를 얻을 수 있다. 즉, 단파장통과필터와 장파장통과필터에서 통과되는 파장을 어느 정도 겹치게 하면, 상기 겹치는 부분만 통과하는 band pass filter를 만들 수 있다.
현재까지 알려진 높은 분산특성을 갖는 유리 물질들(Glass Materials) 및 이를 이용한 필터 타입은 표 1과 같다.
코어 물질 클래드 물질 λcorss 필터 형태
BaCED4 F11 0.72 um 장파장 통과
BaCD1 ADF10 0.9 um 장파장 통과
ADF10 BaF7 1.62 um 단파장 통과
LaF8 FD13 0.82, 1.65 um 대역 통과
LaKN18 SF10 < 0.6 um 장파장 통과
SK6 TiF6 0.67 um 장파장 통과
TiF6 SK1 0.87 um 단파장 통과
상기 기존의 광섬유들의 특징은 기본적으로 구성 성분이 다수인 멀티 컴포넌트 유리(multi component glass)이다. 그리고 SiO2의 굴절율(reflective index)에 비해 매우 높은 굴절율을 갖지며, 낮은 용융점(low melting point)을 갖는 glass이다. 또한 로드(rod, 코어물질)를 튜브(클래딩물질) 속에 삽입하여 가열, 연화시켜 이들의 틈을 으깨면서 소정의 광섬유를 제작하는 로드 인 튜브 기술(rod in tube technology )로 광섬유를 제조한다.
그런데 상기 기존의 광섬유는 멀티컴포넌트 글래스이므로 광손실이 크다. 즉 순수(pure) SiO2가 손실이 가장 작다. 그리고 기존 광섬유와 접속이 매우 어렵다. 즉 낮은 용융점(low melting point)을 가지므로 융착접속이 불가능하다. 또한 고 굴절율(high reflective index)이므로 기계식 접속시 접속손실이 크다. 또한 로드 인 튜브(rod in tube) 방법에 의해 제조되므로 제조 공정이 복잡하다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하고, 낮은 접속손실 및 제조가 용이한 이성분계 실리카 유리를 이용한 분산 광섬유를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 분산 광섬유를 이용한 광섬유 필터를 제공하는 것이다.
도 1은 빛의 파장에 따른 굴절율 변화를 도시한 것이다.
도 2는 분산광섬유를 설명하기 위한 파장에 따른 굴절율 변화의 일예를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 파장이 상기 &lambda;corss 보다 짧은 임의의 한 파장에서 단파장통과필터로 동작할 때의 굴절율 분포 및 파장에 따른 파워분포를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 파장이 상기 &lambda;corss 보다 긴 임의의 한 파장에서 장파장통과필터로 동작할 때의 굴절율 분포 및 파장에 따른 파워분포를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 단파장통과필터의 굴절율 분포를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 장파장통과필터의 굴절율 분포를 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 분산물질의 도핑 농도에 따른 분산광섬유의 굴절율 분포를 도시한 것이다.
도 8은 광섬유의 파장에 따른 굴절율을 도시한 것이다.
도 9는 단파장 통과 필터의 HE-Ne 레이저에서의 굴절율 프로파일(profile)을 도시한 것이다.
도 10은 sellmier 방정식을 이용해서 파장에 따른 굴절율 분포를 도시한 것이다.
도 11은 단파장 쪽에서 빛의 파워가 검출됨을 나타내며, 1.4㎛ 이상에서는 빛이 잘 도파되지 않음을 나타낸다.
도 12는 Power splitter의 후단에 분산광섬유 필터를 이용한 단파장통과필터와 장파장통과필터를 부착하여 파장을 분할하는 파장분할기를 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 이성분계 실리카를 이용한 분산광섬유는, 제1분산물질(dispersive material)이 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및 제2분산물질이 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩를 포함함을 특징으로 한다.
상기 광섬유는 개선된 화학기상증착방법(MCVD)에 의해 제조됨이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 광섬유 필터는, B2O3가 소정의 농도로 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및 Fluorine 이 소정의 농도로 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩을 포함함을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 다른 광섬유 필터는, Fluorine 이 소정의 농도로 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및 B2O3가 소정의 농도로 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩을 포함함을 특징으로 한다.
상기 광섬유필터의 통과되는 파장은 상기 B2O3및 Fluorine 의 농도에 의해 조절될 수 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에 의한 분산 광섬유는 코어 및 클래딩의 기반물질(Base Material)로 실리카(silica)를 사용한다. 그리고 상기 코어 및 클래딩를 구성하고 있는 실리카에 분산물질(dispersive material)을 도핑(doping)을 하여 통상의 광섬유 제조방법에 의해 제조한다. 상기 분산물질은 파장에 따라 굴절율 차가 있는 물질이다. 본 발명의 실시예에서는 상기 분산물질로 Boron 과 Fluorine을 사용하지만, 이것으로 본 발명이 제한되지 않으며, 다른 분산물질을 사용할 수도 있다.
본 발명에 의한 광섬유는 Boron과 Fluorine을 실리카 유리에 각각 도핑하므로써 필터 특성을 나타낸다. 그리고 상기 Boron과 Fluorine은 실리카 유리의 굴절율을 낮추는 역할을 하며, 물질의 농도와 빛의 파장에 따라 굴절율이 변한다. 본 발명에 의한 분산광섬유는 상기 분산물질을 코어나 클래딩 어느 쪽에 어떤 분산물질을 도핑하느냐에 따라 필터 특성이 달라진다. 상기 필터특성은 크게 단파장통과필터와 장파장 통과필터로 나눌 수 있다.
상기 단파장통과필터는 실리카를 기본물질로 하고, Boron를 도핑한 것을 코어로 사용하고, 클래딩는 코어와 마찬가지로 실리카를 기본 물질로 하고, Fluorine을 도핑한 물질로 만들어진다. 상기 코어에는 3.28 몰%의 Boron을 도핑하고, 클래딩에는 1.57몰%의 Fluroine 을 도핑한다.
한편, 장파장통과필터는 상기 단파장통과필터와 반대로, 코어에는 Fluorine을 실리카에 도핑하고, 클래딩는 Boron 을 실리카에 도핑한 물질로 만들어진다. 상기 코어에는 2.1 몰%의 Fluorine 을 도핑하고, 클래딩에는 7.8몰%의 Boron을 도핑한다.
도 5는 본 발명에 의한 단파장통과필터의 굴절율 분포를 도시한 것으로서, 'd'는 코어 단면의 지름을 나타내며, 'D'는 'd'를 포함한 클래딩 단면의 지름을 나타낸다. 상기 코어는 B2O3-SiO2로 이루어지며, He-Ne 레이저에서의 굴절율은1.4555이다. 그리고 상기 클래딩는 F-SiO2로 이루어지며, He-Ne 레이저에서의 굴절율은 1.4546이다. 만일 1.5㎛에서 굴절율을 측정하면 코어의 굴절율이 클래딩의 굴절율보다 낮아진다.
도 6은 본 발명에 의한 장파장통과필터의 굴절율 분포를 도시한 것으로서, 'd'는 코어 단면의 지름을 나타내며, 'D'는 'd'를 포함한 클래딩 단면의 지름을 나타낸다. 상기 코어는 F-SiO2로 이루어지며, He-Ne 레이저에서의 굴절율은 1.4538이다. 상기 클래딩는 B2O3-SiO2로 이루어지며, He-Ne 레이저에서의 굴절율은 1.4539이다. 만일 1.5㎛에서 굴절율을 측정하면 코어의 굴절율이 클래딩의 굴절율보다 커진다.
일반적으로 유리의 굴절율은 사용하는 빛의 파장에 따라 달라진다. 본 발명에 의한 광섬유 필터는 Boron과 Fluorine 의 도핑 농도에 따라 필터링되는 파장을 조절할 수 있다. 그리고 도 5 및 도 6에 도시된 구조를 갖는 광섬유는 어떤 특정한 파장 이상에서는 코어의 굴절율이 클래딩의 굴절율에 반전되어 더 이상 빛이 코어로 진행하지 않고 클래딩로 진행하다가 외부로 Loss로 빠져나간다.
한편, 상기 본 발명에 의한 분산광섬유 및 광섬유 필터는 개선된 화학 기상 증착방법(Modified Chemical Vapor Desposition Technique)을 이용하여 실리카 튜브 내에 실리카와 Boron과 Fluorine을 증착해서 제작될 수 있으며, 반응온도는 1900℃ 이하가 바람직하다.
그리고 상기 단파장통과필터와 장파장통과필터를 적절하게 조합하면 대역통과필터(Band Pass Filter) 및 대역제외필터(Band-Rejection Filter)를 만들 수 있으며, 이는 당업자라면 용이하게 실시할 수 있으므로 설명을 생략한다. 뿐만 아니라 파장 분할기, 분산보상기 등도 마찬가지이다.
도 7a 및 도 7b는 분산물질의 도핑 농도에 따른 분산광섬유의 굴절율 분포를 도시한 것이다. 도 7a는 코어의 굴절율과 클래딩의 굴절율이 같아지기를 원하는 어떤 파장의 빛에서의 굴절율 분포를 나타낸다. 도 7a에서 어떤 굴절율 값을 정하면 그 때의 Boron과 Fluorine의 농도를 알게되고, 그 농도로부터 다른 파장의 빛에 대한 굴절율을 알 수 있다. 참고로 본 발명의 실시예에서 사용된 광섬유 모재는 He-Ne 레이저에서 굴절율 프로파일(Index Profile)을 이용해서 굴절율 값을 측정할 수 있다. 그리고 도 7b는 단파장 통과필터의 한 예를 도시한 것으로서, 만일 Boron을 코어에 넣고 Fluorine을 클래딩에 넣는다면 단파장광 즉 He-Ne 레이저에서의 굴절율 분포는 코어쪽이 높고 클래딩 쪽이 낮다. 따라서 코어 쪽으로 도파가 잘된다.
도 8은 이렇게 만들어진 광섬유를 파장에 따른 굴절율을 도시한 것으로서, cross wavelength 를 지나는 광에 대해서는 클래딩의 굴절율이 코어의 굴절율보다 높아진다는 것을 알 수 있다. 즉 그러한 광은 더 이상 광섬유를 진행하지 않는다.
도 9는 단파장 통과 필터의 HE-Ne 레이저에서의 굴절율 프로파일(profile)인데, 여기서 굴절율 차는 코어의 굴절율에서 클래딩의 굴절율을 뺀 값을 클래딩 굴절율로 나누어 100을 곱한 값이다.
도 10은 sellmier 방정식을 이용해서 파장에 따른 굴절율 분포를 도시한 것으로서, 1.4㎛ 이하에서는 빛이 광섬유를 통해서 도파될 수 있음을 나타내고 있다. 상기 sellmier 방정식은 농도와 파장에 따른 굴절율 분포의 관계를 나타내는 식이다.
도 11은 단파장 쪽에서 빛의 파워가 검출됨을 나타내며, 1.4㎛ 이상에서는 빛이 잘 도파되지 않음을 나타낸다.
도 12는 Power splitter의 후단에 분산필터를 이용한 단파장통과필터와 장파장통과필터를 부착하여 파장을 분할하는 파장분할기를 도시한 것이다. 1.3㎛의 광과 1.5㎛의 광이 파워 P로 입력단에 입사된다. 그러면 분기점 A를 지나면서 파워는 반(P/2)으로 나누어지며, 단파장통과필터(10)를 통해서는 1.3㎛의 광은 통과되고, 1.5㎛의 광은 통과되지 않는다. 그리고 장파장통과필터(20)를 통해서는 1.5㎛의 광은 통과되고, 1.3㎛의 광은 통과되지 않는다. 결과적으로 1.3㎛의 광과 1.5㎛의 광은 파장에 따라 분할된다.
이외에도, 본 발명에 의한 분산광섬유는 통상의 분산광섬유의 응용분야- 예를 들어 광가입자 망, 파장분할 커플러, 파장분할 멀티플렉서 등 - 에 그대로 적용가능하며, 이것 또한 본 발명의 범주에 속함은 자명하다.
본 발명에 의하면, 기존 광섬유와 매우 적은 손실로 접속가능하다.
그리고 기존 광섬유 제조공정 이용하여 제작가능하며, 적은 비용으로 손실이 적은 광섬유를 제작할 수 있다.
또한 기존의 분산광섬유 응용 광디바이스에 그대로 사용가능하다.

Claims (5)

  1. 파장에 따라 코아와 클래딩간의 굴절율 차가 다르게 변하는 분산 광섬유에 있어서,
    제1분산물질(dispersive material)이 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및
    제2분산물질이 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩를 포함하고,
    상기 제1분산물질과 제2분산물질의 도핑농도에 따라 결정되는 파장에서 상기 제1분산물질이 도핑된 코어의 굴절율과 제2분산물질이 도핑된 클래딩의 굴절율이 동일하게 됨을 특징으로 하는 분산 광섬유.
  2. B2O3가 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및
    Fluorine 이 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩을 포함함을 특징으로하고,
    상기 B2O3및 Fluorine의 도핑농도를 조절하여 통과시킬 파장을 조절함을 특징으로 하는 광섬유 필터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 B2O3및 Fluorine 의 농도는 각각 3.28%몰, 1.57%몰임을 특징으로하는 광섬유 필터.
  4. Fluorine 이 도핑된 실리카로 이루어진 코어; 및
    B2O3가 도핑된 실리카로 이루어진 클래딩을 포함하고,
    상기 B2O3및 Fluorine의 도핑농도를 조절하여 통과시킬 파장을 조절함을 특징으로 하는 광섬유 필터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 B2O3및 Fluorine 의 농도는 각각 7.8%몰, 2.1%몰임을 특징으로 하는 광섬유 필터.
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