KR100342191B1 - 미소굴곡에 의한 광섬유 격자 제작장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미소굴곡에 의한 광섬유 격자 제작장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 레이저 빔을 사용하여 광섬유에 미소굴곡을 발생시켜 광섬유 격자를 제작하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 광섬유 격자 제조장치는,

레이저 빔을 출력하는 레이저 시스템; 상기 레이저 빔을 상기 광섬유에 소정의 폭으로 초점을 맞추기 위한 렌즈; 상기 광섬유의 일단 및 타단을 고정하며 상기 광섬유에 장력을 인가하는 광섬유 지지대; 및 상기 레이저 시스템에서 나오는 레이저 빔의 세기, 상기 렌즈에 의한 초점거리 및 상기 광섬유 지지대에 의한 장력의 세기를 조정하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하여, CO₂레이저가 광섬유에 노출되는 조건을 변화시켜 발생된 미소굴곡을 이용하면 광섬유의 인장강도를 손상시키지 않고도 장주기 광섬유 격자를 만들 수 있으며, 특히 광 민감성이나 잔여스트레스가 충분하지 않은 광섬유를 사용하여 장주기 광섬유 격자를 만들 수 있는 장점이 있다.

Description

미소굴곡에 의한 광섬유 격자 제작장치 및 그 방법 {Apparatus for manufacturing fiber gratings using microbending and method therefor}

본 발명은 미소굴곡에 의한 광섬유 격자 제작장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 레이저 빔을 사용하여 광섬유에 미소굴곡을 발생시켜 광섬유 격자를 제작하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

장주기 광섬유 격자(Long period fiber grating; LPFG)는 저 반사율의 파장 필터, 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 필터, 광섬유 센서등의 응용분야에서 각광받고 있다.

종래의 장주기 광섬유 격자는 광 민감성이나 잔여 스트레스를 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 변화시키거나 또는 클래딩 일부제거에 의한 코어변형하는 을 사용했다. 그러나, 광 민감성을 이용하는 방법은 광민감성이 없는 광섬유에는 적용할 수 없으며 또한 광민감성을 높이기 위해서응 수소처리가 필요하다. 그리고, 잔여 스트레스(Residual Stress)를 이완시켜 장주기 격자를 형성하는 방법은 기계적 스트레스가 많이 잔류되지 않은 광섬유에는 높은 필터링 효과가 유도되지 않는 제한이 있고, 클래딩을 일부 제거하여 코어를 변형시키는 방법은 클래딩 일부 제거에 의하여 광섬유의 인장 강도가 현저히 떨어지는 단점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 잔류 스트레스가 많지 않은 광섬유라 하더라도 그 내부에 격자를 형성하기 위한 광섬유 격자 제조장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른, CO₂레이저를 이용하여 LPFG를 제조하는 장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1에 도시된 장치에서 렌즈 및 선반을 보다 자세하게 도시한 도면이다.

도 3은 도 1에 도시된 장치를 이용하여 미소굴곡에 의하여 제조된 장주기 관섬유 격자의 투과 스펙트럼 특성을 나타내는 그래프이다.

상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 광섬유 격자 제조장치는,

레이저 빔을 출력하는 레이저 시스템; 상기 레이저 빔을 상기 광섬유에 소정의 폭으로 초점을 맞추기 위한 렌즈; 상기 광섬유의 일단 및 타단을 고정하며 상기 광섬유에 장력을 인가하여 상기 광섬유에 미소굴곡을 형성시키는 광섬유 지지대; 및 상기 레이저 시스템에서 나오는 레이저 빔의 세기, 상기 렌즈에 의한 초점거리 및 상기 광섬유 지지대에 의한 장력의 세기를 조정하는 제어기를 포함하여, 상기 레이저빔을 상기 미소굴곡이 형성된 광섬유에 노출시켜 광섬유격자를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 광섬유 격자 제조방법은,

레이저 빔을 출력하여 상기 레이저 빔을 상기 광섬유에 소정의 폭으로 초점을 맞추는 단계; 상기 광섬유의 일단 및 타단을 고정하고 상기 고정된 광섬유에 장력을 인가하는 단계; 상기 레이저 빔을 상기 장력이 인가된 광섬유의 일정 부분에 조사하는 단계; 상기 광섬유를 일정 거리만큼 이동시키면서 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

일반적으로 레이저빔이 광섬유에 노출될 때 잔여 스트레스가 많은 광섬유에서는 그 스트레스를 이완시켜 장주기 광섬유 격자가 형성되지만 잔여 스트레스가 작은 광섬유 격자에서는 장주기 광섬유 격자 효과가 잘 발생하지 않는다. 그러나, 잔여 스트레스가 작거나 광민감성이 없는 광섬유의 경우, 주기적인 미소굴곡(microbending)을 이용하여 LPFG를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른, CO₂레이저를 이용하여 LPFG를 제조하는 장치를 나타내는 도면이다. LPFG를 제조하는 장치는 CO₂레이저 시스템(11), 반사거울(12), 렌즈(13), 선반(14) 및 제어용 컴퓨터(15)로 구성된다. CO₂레이저 시스템(11)은 레이저 헤드, 전력모듈, 원격제어부 및 연결케이블(11a)로 구성되며, 레이저는 사용자가 출력빔과 그 전력을 조정할 수 있도록 펄스 형태로 발생된다. 펄스 폭과 주기는 원격제어부나 원격제어부에 연결된 펄스발생기에 의하여 제어될 수 있다. 금으로 도금된 반사거울(12)은 빔경로를 제어하는데 사용되며, ZnSe로 만들어진 렌즈(13)는 레이저 빔을 적당한 폭으로 초점을 맞추는데 사용된다. 렌즈의 초점거리는 제어용 컴퓨터(15)에서 전송된 제어신호(13a)에 따라 조정된다.

광섬유 고정부가 있는 선반(14)은 고해상도의 스텝핑 모터에 의하여 움직일 수 있으며, 스텝핑 모터는 컴퓨터(15)에 의하여 인터페이스 버스의 일종인 GPIB(14a)를 통하여 제어된다. 선반(14)에 있는 광섬유 지지대는 광섬유(16)의 일단 및 타단을 고정하며 광섬유(16)에 장력을 인가한다. 그리고, 광섬유(16)의 일단에 위치하여 광섬유(16)로 백색광을 조사하는 광원 및 광섬유(16)의 타단에 위치하여 광섬유(16)를 통하여 나온 광의 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석기를 더 포함하여 광섬유 격자 제조과정 동안 광섬유의 전송 스펙트럼을 관찰할 수 있다. 제어용 컴퓨터(15)는 레이저 시스템(11)에서 나오는 레이저 빔의 세기, 렌즈(13)에 의한 초점거리 및 광섬유 지지대에 의한 장력의 세기를 조정할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 장치에서 렌즈 및 선반을 보다 자세하게 도시한 도면으로, 렌즈에 의한 초점조정 방법 및 광섬유로의 장력 인가 방법을 설명한다. 도면에서, 참조번호 21은 렌즈, 22는 렌즈 위치조정기, 23은 광섬유, 24는 광섬유지지대, 그리고 25는 광섬유지지대 위치조정부를 각각 나타내며, 또한 23a, b 및 c는 광섬유 격자가 새겨진 부분과 그렇지 않은 부분, 그리고 현재 격자가 새겨지고 있는 부분을 각각 나타내며, 23d는 광섬유(23)에 인가되는 장력의 방향을 나타내며, 24a는 광섬유(23)에 장력을 인가하기 위하여 광섬유지지대(24)의 운동방향을 나타내며, 25a는 광섬유지지대(24)의 이동방향을 나타낸다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 렌즈 위치조정기(22)를 좌우로 움직이면 레이저 빔의 초점이 이동되며, 광섬유(23)에 닿는 빔의 폭 및 세기를 조정할 수 있다. 광섬유 지지대(24)는 광섬유(23)의 양단을 고정한 채 바깥방향(24a)으로 끌어당겨 광섬유(23)에 장력을 인가하여 광섬유(23)에 미소굴곡을 발생시킨다. 여기서, 주기적은 미소굴곡은 광섬유 지지대에 의한 외부 장력 및 CO2 레이저 빔에 의하여 유도된다.

또한, 광섬유(23)에 가해지는 외부의 인장력은 광섬유 지지대(24)에 의하여 광섬유(23)를 양쪽으로 잡아당겨 생기는 상대위치의 증가에 의한 인장력 뿐만 아니라 광섬유 자체의 무게에 의하여 중력에 의해 광섬유의 한 쪽 방향으로 가해지는 인장력(이는 광섬유지지대(24)에 고정된 광섬유(23)를 지면에 수직되도록 위치시킴으로써 구현할 수 있다.) 및 지면에 수직으로 설치된 광섬유(23)의 일단에 추를 붙임으로써 발생되는 인장력을 포함한다.

본 발명은 미소변형력이 발생할 수 있는 어떤 광섬유에도 적용할 수 있으며, 예컨대 광민감성이 있는 광섬유나 없는 광섬유, 잔여스트레스가 많이 유도된 광섬유나 적게 유도된 광섬유, 또는 단일 클래드 구조나 다층 클래드 구조의 광섬유 모두를 포함한다.

본 발명에서는 잔여 스트레스 이완에 사용되는 CO₂레이저 빔을 이용한 제작 과정에 광섬유 지지대(fiber holder)의 위치가 서로 멀어지게 하는 과정을 추가함으로써 잔여 스트레스가 많지 않은 광섬유에 외부적인 인장력을 가하여 광섬유에 미소굴곡을 발생시킴으로써 광섬유의 물리적 강도를 손상시키지 않고도 장주기 광섬유격자를 만들 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 장치를 이용하여 미소굴곡에 의하여 제조된 장주기 관섬유 격자의 투과 스펙트럼 특성을 나타내는 그래프이다. 도면에서 가로축은 파장, 세로축은 전송세기를 나타내며, 따라서 그래프는 격자가 새겨진 광섬유의 파장에 따른 투과특성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 파장이 1350nm 및 1475nm 부근에서 대역제거특성을 나타냄을 알 수 있으며, 따라서 광섬유에 외부적인 장력을 인가하여 광섬유에 미소굴곡을 발생시키면 잔여 스트레스가 작은 광섬유라 하더라도 미소굴곡이 생성되어 레이저 빔에 의하여 장주기 격자를 새길 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 광섬유 격자 제조장치 및 그 방법에 의하면, CO₂레이저가 광섬유에 노출되는 조건을 변화시켜 발생된 미소굴곡을 이용하면 광섬유의 인장강도를 손상시키지 않고도 장주기 광섬유 격자를 만들 수 있으며, 특히 광 민감성이나 잔여스트레스가 충분하지 않은 광섬유를 사용하여 장주기 광섬유 격자를 만들 수 있는 장점이 있다.

Claims (14)

1. 광섬유에 레이저빔을 조사하여 광섬유 격자를 형성하는 장치에 있어서,

   상기 레이저 빔을 출력하는 레이저 시스템;

   상기 레이저 빔을 상기 광섬유에 소정의 폭으로 초점을 맞추기 위한 렌즈;

   상기 광섬유의 일단 및 타단을 고정하며 상기 광섬유에 장력을 인가하여 상기 광섬유에 미소굴곡을 형성시키는 광섬유 지지대;

   상기 레이저시스템에서 조사되는 레이저빔이 상기 광섬유의 특정 부분에 조사되도록 광섬유의 위치를 조정하는 위치조정부; 및

   상기 레이저 시스템에서 출력되는 레이저 빔의 세기, 상기 레이저빔이 상기 광섬유에 초점이 맞도록 하는 렌즈에 의한 초점거리 및 상기 광섬유 지지대에 의해 상기 광섬유에 인가되는 장력의 세기를 조정하며, 상기 장력 인가에 의하여 미소굴곡이 형성된 광섬유의 일부에 상기 레이저빔을 상기 렌즈를 통하여 조사하여 광섬유격자를 형성하며, 상기 위치조정부에 의하여 상기 광섬유를 이동시키면서 순차적으로 광섬유에 부분적으로 광섬유 격자가 형성되도록 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 시스템에서 나온 빔의 경로를 변경하여 상기 렌즈로 보내는 반사거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 지지대는

   상기 광섬유의 일단 및 다단을 서로 반대방향으로 잡아당기거나 소정의 각도로 비틀어서 잡아당기는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 지지대는

   상기 광섬유를 지면에 수직으로 위치하도록 고정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 광섬유 지지대는

   지면 쪽으로 향한 상기 광섬유의 일단에 추를 더 연결하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 광섬유의 일단에 위치하여 상기 광섬유로 백색광을 조사하는 광원; 및

   상기 광섬유의 타단에 위치하여 상기 광섬유를 통하여 나온 광의 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석기를 더 포함하여, 광섬유 격자 제조과정 동안 상기 광섬유의 전송 스펙트럼을 관찰하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 레이저 시스템은

   펄스의 형태로 레이저 빔을 출력하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 제어기는

   상기 레이저 시스템에서 출력되는 레이저 빔의 펄스의 폭 및 주기를 변경시켜 그 세기를 조정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
9. 광섬유에 광섬유 격자를 형성하는 방법에 있어서,

   레이저 빔을 출력하여 상기 레이저 빔을 상기 광섬유에 소정의 폭으로 초점을 맞추는 단계;

   상기 광섬유의 일단 및 타단을 고정하고 상기 고정된 광섬유에 장력을 인가하는 단계;

   상기 레이저 빔을 상기 장력이 인가된 광섬유의 일정 부분에 조사하는 단계;

   상기 광섬유를 일정 거리만큼 이동시키면서 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 레이저 빔은 펄스의 형태로 출력되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 레이저 빔의 세기는 펄스의 폭 및 주기를 변경시켜 조정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 장력인가단계는

    상기 광섬유의 일단 및 다단을 서로 반대방향으로 잡아당기거나 소정의 각도로 비틀어서 잡아당기는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조방법.
13. 제9항에 있어서,

    상기 광섬유의 일단으로 백색광을 조사하면서 상기 광섬유의 타단에서 상기 광섬유를 통하여 나온 광의 스펙트럼을 분석하여 광섬유 격자 제조과정 동안 상기 광섬유의 전송 스펙트럼을 관찰하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제조장치.
14. 제9항의 제조방법에 의하여 광섬유 격자가 새겨진 광섬유.