KR100358418B1 - 용융형 모드분할 방향성 결합기의 제조방법 - Google Patents

용융형 모드분할 방향성 결합기의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정된 성능을 나타내는 용융형 방향성 결합기를 간편하게 제작하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 한 종류의 이중모드 광섬유만을 사용하되, 화학적 에칭을 통해 클래딩 직경을 줄인 것과, 열을 가해 테이퍼하여 코어와 클래딩 직경을 함께 줄인 것을 방향성 결합기의 양 팔로 사용하여, 열을 가해 용융 접합 후 인장하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 광섬유들의 클래딩 직경은 미리 구해둔 모드결합 그래프에서 소정 조건을 만족하도록 사전 제작된다. 본 발명의 방법으로, 용융형 모드분할 방향성 결합기를 제작할 경우, 종래기술에서와 같이 위상정합조건을 만족하는 특정한 단일모드 광섬유-이중모드 광섬유 쌍을 찾을 필요가 없다. 또한, 용융형이므로 전 광섬유 형태가 되어 광섬유 이외의 물질이 포함되는 기존의 연마형 방식에 비해 온도에 대한 안정성이 우수하고, 제작이 용이하다는 장점을 지니고 있다. 그리고 LP11 모드 등의 비대칭 고차모드를 이용한 모드분할 방향성 결합기 이외에도 LP02 모드 등의 대칭 고차모드를 이용한 모드분할 방향성 결합기의 제작에도 적용할 수 있다.

Description

용융형 모드분할 방향성 결합기의 제조방법 {Method of fabricating fused-type mode selective coupler}
본 발명은 방향성 결합기의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 제작이 간편하고 안정된 성능을 나타내는 용융형 방향성 결합기의 제조방법에 관한 것이다.
보통의 방향성 결합기(directional coupler)는 한 광섬유로 진행하는 빛을 두 광섬유(2×2 방향성 결합기의 경우), 혹은 여러 광섬유(N×N 방향성 결합기의 경우)로 진행하도록 분기시키는 하는 기능을 가지고 있으며, 거의 모든 광통신 시스템에 들어가는 가장 기본적인 광소자 중의 하나이다. 방향성 결합기를 제작하는주된 방식은 용융형 방식이고, 몇몇 특별한 경우 연마형을 이용하기도 한다.
광섬유 테이퍼(taper)란 광섬유의 일부분을 열을 가해 잡아늘인 것을 말하며, 이 작업을 테이퍼 작업(tapering process)이라고 한다. 용융형 방향성 결합기는 이러한 테이퍼 작업을 통해 제작된다.
도 1a 내지 1d를 통해 일반적인 2×2 용융형 방향성 결합기를 제작하는 종래기술의 과정을 설명한다.
우선, 도 1a에 도시한 바와 같이, 재킷(110)을 중간 부분에서 약 1∼2㎝의 길이로 벗겨내어 클래딩(120)이 노출된 두 가닥의 광섬유(100)를 준비한다. 이어서, 도 1b와 같이, 노출된 클래딩들을 서로 접촉시키고 그 접촉부(C)를 토치(130)로 가열함과 동시에 광섬유의 길이방향(F-F')으로 인장을 가하면서 용융 접합시킨다. 이와 동시에 광섬유로 광신호를 넣으면서 원하는 크기만큼의 광분기를 얻었을 경우, 가열과 인장을 멈추면, 도 1c에 도시한 바와 같이, 두 가닥의 광섬유 테이퍼가 용융 접합되어 이루어진 방향성 결합기의 허리(waist; C')가 형성되는데, 이 곳은 가장 가늘면서 대체로 균일한 굵기를 지니며 가장 강한 방향성 결합을 발생시킨다. 그 다음, 방향성 결합기의 허리를 보호하기 위해, 도 1d의 석영 유리관(140)과 에폭시(150) 등을 이용하여 그 허리를 고정시키면 방향성 결합기의 제작이 완료된다. 보통 두 가닥의 광섬유에 같은 광섬유를 사용하나, 원하는 파장 특성이나 결합률을 얻기 위해 두 가닥의 광섬유에 서로 다른 광섬유를 쓰거나 한 가닥을 미리 늘인 후 제작하기도 한다.
도 2a 내지 2e는 일반 연마형 방향성 결합기를 제작하는 종래기술의 과정을설명하기 위한 도면들이다. 도 2a와 같이, 먼저 직육면체 형태의 석영유리 블록(200)을 준비한다. 그 다음, 도 2b에 도시한 바와 같이, 광섬유의 재킷 두께로 적당한 깊이의 홈(202)을 낸 고정대(200a)를 완성한다. 이어서, 도 2c와 같이, 에폭시 등을 사용하여 광섬유(210)를 홈에 고정시킨다. 그 다음, 광섬유 코어로 진행하는 빛이 약간 새어나오도록 광섬유가 심어진 블록면을 연마하여 블록과 함께 광섬유의 클래딩을 갈아내어, 도 2d에 도시된 바와 같이 연마된 광섬유(210a)를 만든다. 이렇게 제작된 두 블록들(200a, 200a')을 접합하여 두 광섬유들(210a, 210a')의 코어를 근접시켜 방향성 결합기를 제작한다. 이러한 연마형 방향성 결합기는, 편광 유지 광섬유를 사용하는 편광 유지 방향성 결합기와, 타원형 코어 이중모드 광섬유(Two Mode Fiber; 이하 "TMF")를 사용하는 모드 분할 방향성 결합기와 같이 광섬유 코어에 존재하는 고유 복굴절 축을 맞추어 제작해야 할 경우와, 방향성 결합기의 결합률을 변화시킬 수 있는 가변형 방향성 결합기 제작에 쓰인다. 그러나, 연마형 방향성 결합기에서는 효과적인 방향성 결합을 위해 굴절률 정합 기름(index matching oil) 등이 그 접합면에 사용되어야 하므로 용융형 방향성 결합기와 같은 전 광섬유(all-fiber) 형태의 것에 비해 온도 변화 등의 환경 변화에 대한 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
이어서, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해, 도 3a 및 3b를 통해 모드분할 방향성 결합기의 기능에 대해 설명하기로 한다. 도 3a 및 3b에 도시된 방향성 결합기들은 연마형이나 용융형과 같은 제작 형태에 무관한 보편적인 기능을 갖는데, 그 기본적인 형태는 TMF(300)와 단일모드 광섬유(Single Mode Fiber; 301, 이하"SMF")가 결합영역(302)을 통해 접합되어진 형태이다.
광섬유를 특징짓는 값으로 규격주파수(normalized frequency)가 있다. 광섬유 코어의 반경을 α, 파장을 λ, 코어와 클래딩의 굴절률을 각각 nco와 ncl이라고 할 때에 규격주파수 V 는 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
광섬유에서 V 값이 클수록 진행할 수 있는 모드의 수가 많아지며, V가 0에서 2.405 사이의 값을 갖는 경우 LP01 모드만이 진행할 수 있는 SMF가 되며, 2.405에서 3.83 사이의 값을 갖는 경우 LP01 모드와 LP11 모드가 진행할 수 있는 TMF가 된다. V 값이 약 1.4 보다 작아지게 되면 광섬유의 도파특성이 약해져서 LP01모드의 전기장이 클래딩 영역으로 퍼져나가기 시작하며 클래딩이 다른 물질과 접촉하게 되면 광손실 혹은 광결합이 발생하게 된다. 일반적인 SMF로 제작하는 용융형 방향성 결합기의 경우 이러한 성질을 이용하여 V 값이 0.8 정도 되는 상태로 제작된다.
도 3a에 도시된 기능은, TMF(300)로 LP01 모드와 LP11 모드(303)가 진행할 때에, 결합영역(302)을 거치면서 TMF(300)의 LP01 모드는 그냥 지나가서 출력단 TMF의 LP01 모드(304)로 나오고, TMF(300)의 LP11 모드는 SMF(301)의 LP01 모드(305)로 바뀌어 진행하는 모드 분할 기능을 보여준다.
한편, 도 3b에 도시된 바와 같이, SMF(301)로 LP01 모드(306)가 입사되었을 경우, 결합영역(302)을 통해 TMF의 LP11 모드(307)로 전환되어 진행된다.
이와 같은 모드 분할이나 모드 전환 등은 100%의 효율로 발생하는 것이 바람직하다. 모드분할 방향성 결합기의 성능을 나타내는 것으로 모드결합률과 모드소거율이 있다. 도 3b의 SMF(301)로 입력된 LP01 모드(306)의 파워가 P0 일 때 이 빛이 결합영역(302)을 거쳐서 출력단 TMF의 LP11 모드(307)로 모드결합된 파워가 P1, 출력단 TMF의 LP01 모드로 모드결합된 파워가 P2라고 할 때에, 모드결합률과 모드소거율은 다음 수학식 2 및 3과 같이 나타나는데, 이들은 각각 90% 와 20㏈ 가량의 값을 가지는 것이 보편적이며, 값이 클수록 바람직하다.
도 4a는 모드분할 방향성 결합기를 제작하는 종래기술의 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4a를 참조하면, SMF와 TMF를 각각 일반 연마형 방향성 결합기와같이 연마된 블록(400, 401)으로 제작한 후, 접합면(402)에 굴절률 정합 기름과 에폭시 등을 사용하여, 두 블록을 밀착 접촉시킨다. 이 방식으로 제작된 모드분할 방향성 결합기의 경우 TMF의 LP11 모드와 SMF의 LP01 모드 사이에 효과적인 모드결합이 일어나도록 하기 위해서 두 모드의 전파상수가 같은 조건, 즉 위상정합조건을 만족하는 SMF와 TMF 쌍을 사용하여 제작해야 한다. 또한, 원형코어 TMF에서는 LP11 모드의 로브(lobe)가 안정적이지 않으므로 타원형코어 TMF를 사용하여 제작하되, 도4a의 방법에 의해 제작된 모드분할 방향성 결합기의 단면도를 나타낸 도 4b에서 보이는 바와 같이, TMF의 타원형코어(403)와 SMF의 코어(404)가 접합되어 놓인 방향을 TMF 타원형코어의 장축 혹은 단축의 축방향(405)과 일치시키는 것이 바람직하다.
모드의 특성중 하나인 모드의 전파상수(propagation constant) β는 그 모드의 유효굴절률(effective refractive index) neff와 다음 수학식 4와 같은 선형적인 관계에 있으므로 위상정합조건은 두 모드의 유효굴절률이 같은 상태라고 표현할 수 있다.
단, 여기서 λ는 파장이다.
따라서 연마형 모드분할 방향성 결합기 제작을 위해서는 TMF LP11 모드와 SMF LP01 모드의 유효굴절률을 실험적으로 측정하여 같은 값을 갖는 TMF와 SMF 쌍을 찾아야 한다. 이와 같은 연마형 모드분할 방향성 결합기는 모드결합과 블록 접착을 위해 굴절률 정합기름과 에폭시 등의 물질을 사용하기 때문에 그 성능이 온도 변화와 같은 외부 환경변화에 영향을 받게되는 문제점이 있다.
TMF를 진행할 수 있는 모드는 LP01 모드와 LP11 모드의 두 종류이다. TMF의 일단에 테이퍼 작업을 하게 되면 광섬유의 코어와 클래딩의 직경이 같은 비율로 작아지게 된다. 테이퍼 작업이 가능한 계단형 굴절률 분포를 갖는 TMF에 대해맥스웰(Maxwell) 방정식을 적용하여 전기장의 식을 전개하면, TMF 안에서 진행하는 모드분포와 그 유효굴절률을 수치적으로 계산할 수 있다. 도 5는 위의 방법을 사용하여 계산된 값으로, TMF 테이퍼의 직경에 따른 LP01 모드의 유효굴절률과 LP11 모드의 유효굴절률을 각각 나타낸 그래프이다. 참조번호 500 및 501은 LP01 모드의 유효굴절률 곡선과 LP11 모드의 유효굴절률 곡선을 각각 표시한 것이며, 참조번호 510의 점선은 TMF 클래딩의 굴절률을 표시한 것이다.
유효 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 낮아서 재킷으로 둘러싸인 일반적인 광섬유 안에서는 진행할 수 없으나, 재킷이 벗겨져서 클래딩과 공기로 이루어진 영역, 예를 들면 방향성 결합기 허리와 같은 곳에서는 진행할 수 있는 모드를 클래딩모드라고 하며, TMF의 클래딩 모드 중에 가장 낮은 차수의 모드는 LP02모드이다. 이와 반대로 클래딩의 굴절률보다 높아서 일반적으로 진행할 수 있는 모드는 코어 모드라고 한다.
참조번호 512의 실선은 클래딩 모드 중 가장 저차모드인 LP02 모드의 유효굴절률 곡선을 나타내며 유효굴절률이 클래딩의 굴절률보다 낮다. 도 5를 참조하면, 테이퍼 작업이 진행되어 테이퍼 직경이 작아짐에 따라 TMF 두 모드의 유효굴절률은 점점 낮아지게 되고 마침내 LP11 모드의 유효굴절률이 클래딩의 굴절률(510)과 같아지는 직경이 되면(511) LP11 모드는 더 이상 재킷이 있는 광섬유 내를 진행할 수 없게 되고 이때의 V 값은 2.405 이다. 따라서, 그보다 작은 직경에서 TMF 테이퍼는 SMF처럼 LP01 모드만 진행시킨다.
한편, 동일한 직경(502)을 가지는 두 가닥의 TMF를 준비한 후, 그 하나를 적절한 직경(504)으로 테이퍼한 TMF 테이퍼와 다른 하나의 TMF를 접촉시킨 후 열을 가하면서 함께 잡아늘이면 두 광섬유의 직경이 같은 비율로 줄어들게 된다. TMF 테이퍼의 LP01 모드 유효굴절률(505)과 다른 하나의 TMF의 LP11 모드 유효굴절률(503)도 직경이 줄어듦과 함께 작아지게 된다. TMF 테이퍼와 다른 하나의 TMF의 직경이 같은 비율로 줄어 각각 특정한 직경값(508, 506)이 되었을 때에 다른 하나의 TMF의 LP11 모드의 유효굴절률(507)과 TMF 테이퍼의 LP01 모드의 유효굴절률(509)이 같아지는 상태, 즉 위상정합조건을 만족하는 상태가 이루어진다. 따라서, 상기한 바와 같이 TMF와 TMF 테이퍼를 용융 접합시켜 최종 직경이 위상정합조건을 만족하도록 잡아늘이면 용융형 모드분할 방향성 결합기를 제작할 수 있다. 그러나, 초기에 TMF 테이퍼의 직경을 얼마로 하느냐에 따라 TMF 테이퍼의 LP01 모드와 TMF의 LP11 모드사이에 위상정합조건을 만족하는 TMF 테이퍼와 다른 하나의 TMF의 최종 직경이 달라지게 된다.
여기서, 종래기술의 설명을 통해, TMF 테이퍼와 TMF의 최초 직경에 따라 용융형 모드분할 방향성 결합기의 성능이 어떻게 달라지는지 알아본다.
종래에, 동일한 두 가닥의 TMF 중의 어느 하나를 테이퍼하여 준비된 TMF 테이퍼와 나머지 TMF를 이용하여 용융형 모드분할 방향성 결합기가 제작된 바 있다. 이와 같이, 일반적인 계단형 굴절률 분포를 지닌 TMF 및 TMF 테이퍼를 사용하여 용융형 모드분할 방향성 결합기를 제작할 경우, 위상정합이 이루어지는 상태곡선을 도 6에 나타내었다. 도 6은 도 5에서 LP01 모드와 LP11 모드사이에 위상정합조건을 만족하는 TMF와 TMF 테이퍼의 직경들을 구하여 그래프로 나타낸 것이다. 도 6에서,실선으로 표시된 곡선(601)은 TMF의 LP11 모드와 TMF 테이퍼의 LP01 모드 사이에 위상정합조건을 만족하는 TMF와 TMF 테이퍼의 직경의 이론값, 일점쇄선으로 표시된 곡선(602)은 TMF의 LP02 모드와 TMF 테이퍼의 LP01 모드 사이에 위상정합조건을 만족하는 광섬유 직경의 이론값을 각각 나타낸다. 용융형 모드분할 방향성 결합기를 제작할 때 LP02 모드로 모드결합된 빛은 재킷을 만나 소실되므로 LP02 모드로의 모드결합은 광손실을 주는 주된 요소이다.
TMF와 TMF 테이퍼의 초기 직경(608)이 결정되면, 용융형 모드분할 방향성 결합기 제작과정에서 두 광섬유의 직경은 원점을 향한 직선(607, 이하 "결합기 제작 직선")과 같이 줄어들게 된다. 효과적인 모드결합을 위해서는 직경이 줄어드는 직선과 위상정합조건을 만족하는 곡선이 TMF 직경 약 1.5㎛ 이내 (유효굴절률 10-4이내)의 오차로 일치되어 나란히 나아가는 것이 바람직하나 TMF와 TMF 테이퍼로 제작되는 경우에 모드결합영역(603∼604, 605∼606)에서 두 선은 그 이상의 차이를 보인다.
모드결합영역이란 TMF의 V 값이 1.4에서 2.405 사이의 값을 갖는 영역을 가리키는데, 이 영역에서 TMF LP11 모드의 유효 굴절률은 클래딩의 굴절률보다 낮고 TMF LP01 모드는 아직 클래딩으로 퍼져 나오지 않은 상태이므로, TMF LP11 모드와 TMF 테이퍼의 LP01 모드사이에 모드결합은 효과적으로 일어나면서 동시에 TMF LP01 모드는 광결합에 참여하지 않아서 높은 모드소거율을 얻을 수 있기 때문에, 용융형 모드분할 방향성 결합기는 이 영역에서 제작되는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면 알 수 있듯이, 모드결합영역(603∼604, 605∼606)에서, LP01-LP02 모드 곡선(602)은 LP01-LP11 모드 곡선(601)과 매우 근접함을 알 수 있다. 이로 인해 TMF와 TMF 테이퍼를 사용하여 용융형으로 모드분할 방향성 결합기를 제작할 경우, LP02 모드로의 모드결합이 LP11 모드로의 모드결합과 함께 일어나게 되어 상당한 양의 광손실을 일으키게 되므로 바람직하지 않다.
기존의 연마형 모드분할 방향성 결합기는 그 제작에 있어서 굴절률 정합 기름과 에폭시 등의 이물질을 사용하므로 온도 변화 등에 따라 그 성능이 저하되는 단점을 가지고 있다.
따라서 본 발명의 기술적 과제는 광섬유 이외의 물질이 포함되지 않아서 온도변화에 대한 안정성이 우수하면서 기존의 연마형 방향성 결합기 정도의 성능을 지니고 있는 전 광섬유 형태의 용융형 모드분할 방향성 결합기의 제조방법을 제공하는 것이다.
기존의 연마형 방향성 결합기의 제작에서는 광섬유 사양을 변화시킬 수 없었기 때문에 각각의 광섬유 사양을 실험적으로 조사하여 TMF LP11 모드의 유효굴절률과 SMF LP01 모드의 유효굴절률이 같은 광섬유 쌍을 찾아 사용하는 불편함이 있었다. 따라서, 본 발명의 다른 기술적 과제는 방향성 결합기를 제작하기 위한 광섬유 쌍의 선택이 비교적 용이한 모드분할 방향성 결합기의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 기존의 연마형에 비하여 크기가 작고 가볍게 제작할 수 있으며 제작 비용 및 시간이 적게 드는 동시에 소자로서의 성능은 연마형과 거의 동일하게 나타내는 용융형 모드분할 방향성 결합기의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1a 내지 1d는 일반 용융형 방향성 결합기를 제작하는 종래기술의 과정을 설명하기 위한 도면들;
도 2a 내지 2e는 일반 연마형 방향성 결합기를 제작하는 종래기술의 과정을 설명하기 위한 도면들;
도 3a 및 3b는 모드분할 방향성 결합기의 기능을 설명하기 위한 도면들;
도 4a는 모드분할 방향성 결합기를 제작하는 종래기술의 과정을 설명하기 위한 도면;
도 4b는 도 4a의 방법에 의해 제작된 모드분할 방향성 결합기의 단면도;
도 5는 이중모드 광섬유 테이퍼의 직경에 따른 LP02 모드, LP11 모드와 LP01 모드의 유효굴절률을 각각 나타낸 그래프;
도 6은 TMF와 TMF 테이퍼로 용융형 모드분할 방향성 결합기를 제작할 경우, 위상정합이 이루어지는 상태곡선을 나타낸 그래프;
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 제조방법에 의해 모드분할 방향성 결합기를 제조하는 과정을 나타낸 도면;
도 7b는 도 7a의 방법에 의해 용융형 모드분할 방향성 결합기 제작 시 인장에 따른 모드결합 특성을 나타낸 그래프;
도 7c는 도 7a의 방법에 의해 제조된 모드분할 방향성 결합기의 접합부의 단면도;
도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제작된 용융형 모드분할 방향성 결합기의 위상정합이 이루어지는 상태곡선을 나타낸 그래프;
도 9는 본 발명의 실시예에 의해 제작된 용융형 모드분할 방향성 결합기의 파장에 따른 모드결합 특성을 나타낸 그래프; 및
도 10은 본 발명의 실시예에 의해 제작된 용융형 모드분할 방향성 결합기에 LP01 모드 입력시 그 양단으로 나오는 모드필드를 나타낸 도면이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 용융형 모드분할 방향성 결합기 제조방법은: 동일 구조의 광섬유들에 각각 테이퍼링과 에칭을 가하여 형성될 수 있는 다양한 클래딩 직경의 제1 및 제2 광섬유에 대하여 미리 계산하여 특정 모드 M1과 특정 모드 M2사이의 모드결합 곡선 및 특정 모드 M1과 다른 모드 사이의 모드결합 곡선을 포함한 모드 결합 그래프를 준비하는 단계와;상기 특정 모드 M1과 특정 모드 M2사이의 모드결합 곡선 및 특정 모드 M1과 다른 모드 사이의 모드결합 곡선이 모드 결합영역에서 적어도 2㎛ 이상 분리되고, 테이퍼링과 에칭에 의해 형성되는 제1 및 제2 광섬유의 특정한 초기 클래딩 직경에서 상기 모드 결합 그래프의 원점을 향하는 결합기 제작직선과 상기 특정 모드 M1과 특정 모드 M2사이의 모드결합 곡선의 오차는 1.5㎛ 이내의 값으로 유지되게 하는 제1 및 제2 광섬유의 특정한 초기 클래딩 직경 D1및 D2를 알아내는 단계와;코어와 클래딩을 각각 가지며, 그 각각의 재킷의 일부가 제거된 제1 및 제2 광섬유 가닥들로서, 제1 광섬유의 클래딩 직경이 D1, 규격주파수가 V1이며, 제2 광섬유의 클래딩 직경이 D2, 규격주파수가 V2이며, V1< V2의 조건을 만족하는 제1 및 제2 광섬유들을 준비하되, 상기 제1 및 제2 광섬유 가닥을 동일한 것으로 선택하며, 상기 제1 광섬유는 테이퍼링에 의하여 그 클래딩 직경이 D1이 되고 상기 제2 광섬유는 클래딩의 에칭에 의하여 그 클래딩 직경이 D2가 되도록 준비하는 단계와;재킷이 벗겨진 상기 제1 및 제2 광섬유들의 클래딩을 서로 접촉시키는 단계와;상기 제1 광섬유의 특정 모드 M1과 상기 제2 광섬유의 특정 모드 M2가 결합되는 결합효율을 측정하는 단계와;상기 접촉 부위를 용융 접합시키면서 상기 광섬유들을 그 길이방향으로 함께 인장시키는 단계와;상기 인장단계를 유지하다가, 상기 측정된 결합효율이 특정값에 달할 때 상기 인장단계를 정지시키는 단계를 구비하여;상기 특정 모드들끼리의 모드결합이 상기 특정효율값을 갖는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 광섬유들의 준비함에 있어서, 동일 구조의 광섬유에 단일모드 광섬유 또는 이중모드 광섬유를 각각 사용할 수 있다.
이중모드 광섬유를 사용할 경우, 상기 M1이 LP01 모드이고 상기 M2가 LP11 모드인 것이 바람직하다.
그 외에, 상기 M1이 코어 모드이고 상기 M2가 클래딩 모드가 되도록 할 수도 있다.
한편, 상기 인장단계를 정지시키기 위한 상기 결합효율의 특정값을 결합효율의 최대값으로 선택할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 광섬유가 전부 이중모드 광섬유로서 타원형 코어를 가지되, 모드결합이 발생하는 LP11 모드의 한 로브방향으로만 안정적인 모드결합이 발생하도록, 상기 접합부에서 상기 제1 및 제2 광섬유의 배열평면과 상기 타원형 코어의 축이 나란하도록 배열할 수도 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 광섬유를 타원형 코어 다중모드 광섬유로 선택하여, 상기 모드결합에 참여하는 모드가, 상기 제1 및 제2 광섬유 중의 어느 한 광섬유의 LP01 모드와 다른 한 광섬유의 LP12 모드와 같은 비대칭 고차모드가 되도록 할 수도 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 광섬유를 다중모드 광섬유로 선택하여, 상기 모드결합에 참여하는 모드가, 상기 제1 및 제2 광섬유 중의 어느 한 광섬유의 LP01 모드와 다른 한 광섬유의 LP02 모드와 같은 대칭 고차모드가 되도록 할 수도 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 제조방법에 의해 모드분할 방향성 결합기를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다. 사용된 광섬유는 계단형 굴절률 분포를 가지고 있으며 코어 직경이 4.3㎛, 클래딩 직경이 125㎛에 파장 1.06㎛에서 V 값이 약 3.1인 TMF이다. 상기 TMF를 약 2m 길이로 두 가닥을 잘라 제1 및 제2 TMF를 준비하였다. TMF 테이퍼 제작과 용융형 방향성 결합기 제작에 사용한 토치에는 프로판 가스와 산소를 사용하였으며, 프로판 가스 유량을 약 5sccm으로 조절하고 완전연소 시켰다.
제1 TMF에 관하여 맥스웰 방정식을 계산하여 도 5와 같은 형태의 유효굴절률 그래프를 구하고, 제2 TMF를 각각 110, 100, 90, 80, 70, 60, 50㎛로 클래딩을 에칭한 경우에 관하여 맥스웰 방정식을 계산하여 도 5와 같은 형태의 유효굴절률 그래프를 구했다. 제1 TMF에 관하여 얻은 상기 유효굴절률 그래프에서 LP01 모드의 그래프 값을 취하고, 상기 다양한 직경으로 에칭된 제2 TMF에 관하여 얻은 유효굴절률 그래프에서 LP11 모드와 LP02 모드의 그래프 값들을 각각 취했다. 상기 방식으로 얻은 제1 TMF에서의 LP01 모드의 직경에 따른 유효굴절률 값과 각각 에칭된 직경별로 제2 TMF에서의 LP11 및 LP02 모드의 직경에 따른 유효굴절률 값을 사용하여 LP01-LP11 모드의 경우와 LP01-LP02 모드의 경우에 위상정합조건을 만족하는 직경에 대한 도 6과 같은 형태의 그래프를 제2 TMF의 에칭된 직경별로 얻는다.
본 발명의 실시예에서는 에칭된 다양한 직경에 대한 도 6과 같은 형태의 그래프들 중에서 50㎛로 에칭된 경우의 그래프인 도 8을 선택하여 용융형 모드분할 방향성 결합기 제작의 기준으로 삼았다. LP02 모드로의 모드결합을 제거하고 LP11 모드로의 모드결합을 효과적으로 일으키기 위해서는 도 8과 같이 LP01-LP11 모드의 그래프(801)와 LP01-LP02 모드의 그래프(802)가 모드결합영역(803-804, 805-806)에서 TMF 직경이 약 2㎛ 이상 분리되어야 하며, 특정한 초기 직경(808)에서 원점을 향하는 결합기 제작 직선(807)과 LP01-LP11 모드의 그래프(801)사이의 오차가 1.5㎛ 이내의 값으로 유지되어야 한다.
상기 방법으로 얻어진 도 8을 사용하여, 초기직경(808)에 맞추어 제1 TMF는 약 2㎝ 가량의 재킷을 벗겨낸 후, 그 부분을 클래딩 직경 30㎛로 테이퍼 하였고, 제2 TMF는 약 2㎝ 가량의 재킷을 벗겨낸 후, 그 부분을 클래딩 직경 50㎛로 에칭하였다.
도 7a를 참조하면, 50㎛로 클래딩이 에칭된 제2 TMF(702)를 LP11 모드 단으로 사용하고, 같은 TMF를 30㎛ 두께로 테이퍼한 제1 TMF 테이퍼(701)를 LP01 모드 단으로 사용한다. 그 다음, 파장 1.06㎛인 광원(709)을 사용하여 제1 TMF 테이퍼의 한쪽 단(703)에 빛을 넣어 LP01 모드를 진행시키고, 토치(704)로 열을 가하면서 두 광섬유를 접합시킨 후 화살표의 양방향으로 잡아늘인다. 이와 함께 제1 TMF 테이퍼와 에칭된 제2 TMF의 양 끝단(707, 706)으로 나오는 빛의 세기를 광검출기(708)에의해 측정한다. 에칭된 제2 TMF의 끝단(706)으로 나오는 빛의 세기중 LP11 모드의 세기를 측정하여 계산된 모드결합률이 원하는 값이 되었을 때에 광섬유에 가한 인장을 멈추고, 가열을 중단하면 용융형 모드분할 방향성 결합기가 제작된다. 모드결합률이 최대가 되었을 때에 제작된 용융형 모드분할 방향성 결합기는 제1 TMF 테이퍼의 직경은 약 18㎛이고, 에칭된 제2 TMF의 직경은 약 30㎛, V 값은 약 1.8로서 에칭된 TMF의 LP01 모드는 아직 광결합에 참여치 않는 모드결합영역에 포함되는 값으로, 높은 모드소거율을 얻을 수 있다. 일반 용융형 방향성 결합기와 마찬가지로 결합기의 허리를 보호하기 위해, 도 1d에 도시한 바와 같은 석영 유리관과 에폭시 등을 이용하여 고정시킨다. 상기방법으로 제작된 용융형 모드분할 방향성 결합기에서 모드결합률이 최대가 되도록 하였을 때에, 약 92%의 모드결합률과 25㏈의 모드소거율을 얻었다.
도 7b는 상기 방식에 의해 용융형 모드분할 방향성 결합기 제작 시 인장에 따른 모드결합률을 나타낸 그래프이다. 도 7b의 그래프는 도 7a의 에칭된 제2 TMF 단(706) 출력에서 LP11 모드로 모드결합되어 나오는 빛의 세기를 규격화(normalization)하여 보여주는 것으로서, LP11 모드 세기가 최대가 되는 위치(710)에서 인장을 멈추어 용융형 모드분할 방향성 결합기를 제작하면, 90% 이상의 모드결합을 얻을 수 있다. 인장을 오래 진행하게되면 점차 위상정합조건이 맞지 않는 영역으로 진행하면서 결합률이 낮아지고 동시에 다른 모드로의 모드결합으로 광손실이 나타나므로 바람직하지 못하다.
도 7c는 본 발명의 실시예에 의해 제작된 모드분할 방향성 결합기의 접합부의 단면도이다. 도 7c를 참조하면, 에칭된 TMF와 TMF 테이퍼를 사용하여 용융 접합이 완료된 용융형 모드분할 방향성 결합기의 단면이 나타나 있다. 방향성 결합기의 접합부에서 에칭된 TMF(720)와 TMF 테이퍼(730)가 용융 접합되어 아령 형태를 이루고 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의해 제작된 용융형 모드분할 방향성 결합기의 파장에 따른 모드결합 특성을 나타낸 그래프이다. 도 9는 중심파장 1064㎚로 제작된 용융형 모드분할 방향성 결합기의 LP01 모드 단에 넓은 파장 대역의 광을 입사하였을 경우 LP11 모드 단(901)과 LP01 모드 단(902)으로의 방향성 결합이 파장에 따라 변화되는 것을 보여주며 1064㎚부근 약 40㎚ 대역에서 80% 이상의 모드결합률(903)을 보인다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의해 제작된 용융형 모드분할 방향성 결합기에 LP01 모드 입력시 그 양단으로 나오는 모드필드를 나타낸 도면이다. 제작된 모드분할 방향성 결합기는 약 90%의 모드결합률을 나타내는 것이었으며, 참조번호 1001 및 1002는 도 7a의 LP01 모드 단(707)과 LP11 모드 단(706)으로 나오는 빛의 원거리 모드 형태(far-field mode pattern)를 각각 보여준다. 이 경우 LP11 모드 단의 LP01 모드와 LP11 모드의 모드소거율은 약 25㏈이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 모드분할 방향성 결합기의 제조방법에 의하면, 위상정합조건을 만족하는 특정한 SMF-TMF 쌍을 찾을 필요가 없으며, 용융형이므로 전 광섬유 형태가 되어 광섬유 이외의 물질이 포함되는 기존의 연마형 방식에 비해 온도에 대한 안정성이 우수하고, 제작이 용이하다는 장점을 지니고 있다.

Claims (12)

  1. 동일 구조의 광섬유들에 각각 테이퍼링과 에칭을 가하여 형성될 수 있는 다양한 클래딩 직경의 제1 및 제2 광섬유에 대하여 미리 계산하여 특정 모드 M1과 특정 모드 M2사이의 모드결합 곡선 및 특정 모드 M1과 다른 모드 사이의 모드결합 곡선을 포함한 모드 결합 그래프를 준비하는 단계와;
    상기 특정 모드 M1과 특정 모드 M2사이의 모드결합 곡선 및 특정 모드 M1과 다른 모드 사이의 모드결합 곡선이 모드 결합영역에서 적어도 2㎛ 이상 분리되고, 테이퍼링과 에칭에 의해 형성되는 제1 및 제2 광섬유의 특정한 초기 클래딩 직경에서 상기 모드 결합 그래프의 원점을 향하는 결합기 제작직선과 상기 특정 모드 M1과 특정 모드 M2사이의 모드결합 곡선의 오차는 1.5㎛ 이내의 값으로 유지되게 하는 제1 및 제2 광섬유의 특정한 초기 클래딩 직경 D1및 D2를 알아내는 단계와;
    코어와 클래딩을 각각 가지며, 그 각각의 재킷의 일부가 제거된 제1 및 제2 광섬유 가닥들로서, 제1 광섬유의 클래딩 직경이 D1, 규격주파수가 V1이며, 제2 광섬유의 클래딩 직경이 D2, 규격주파수가 V2이며, V1< V2의 조건을 만족하는 제1 및 제2 광섬유들을 준비하되, 상기 제1 및 제2 광섬유 가닥을 동일한 것으로 선택하며, 상기 제1 광섬유는 테이퍼링에 의하여 그 클래딩 직경이 D1이 되고 상기 제2 광섬유는 클래딩의 에칭에 의하여 그 클래딩 직경이 D2가 되도록 준비하는 단계와;
    재킷이 벗겨진 상기 제1 및 제2 광섬유들의 클래딩을 서로 접촉시키는 단계와;
    상기 제1 광섬유의 특정 모드 M1과 상기 제2 광섬유의 특정 모드 M2가 결합되는 결합효율을 측정하는 단계와;
    상기 접촉 부위를 용융 접합시키면서 상기 광섬유들을 그 길이방향으로 함께 인장시키는 단계와;
    상기 인장단계를 유지하다가, 상기 측정된 결합효율이 특정값에 달할 때 상기 인장단계를 정지시키는 단계를 구비하여;
    상기 특정 모드들끼리의 모드결합이 상기 특정효율값을 갖는 용융형 모드분할 방향성 결합기 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 동일 구조의 광섬유들이 이중모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 용융형 모드분할 방향성 결합기 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, M1이 LP01 모드이고 M2가 LP11 모드인 것을 특징으로 하는 제조방법
  7. 제1항에 있어서, 상기 동일 구조의 광섬유들이 단일모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 용융형 모드분할 방향성 결합기 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 M1이 코어 모드이고 상기 M2가 클래딩 모드인 것을 특징으로 하는 용융형 모드분할 방향성 결합기 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 인장단계를 정지시키기 위한 상기 결합효율의 특정값이 결합효율의 최대값인 것을 특징으로 하는 용융형 모드분할 방향성 결합기 제조방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 이중모드 광섬유가 타원형 코어를 가지되, 모드결합이 발생하는 LP11 모드의 한 로브방향으로만 안정적인 모드결합이 발생하도록, 상기 접합부에서 상기 제1 및 제2 광섬유의 배열평면과 상기 타원형 코어의 축이 나란하도록 배열하는 것을 특징으로 하는 용융형 모드분할 방향성 결합기의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광섬유가 타원형 코어 다중모드 광섬유이며, 상기 모드결합에 참여하는 모드가 상기 제1 및 제2 광섬유 중의 어느 한 광섬유의 LP01 모드와 다른 한 광섬유의 LP12 모드와 같은 비대칭 고차모드인 것을 특징으로 하는 용융형 모드분할 방향성 결합기의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광섬유가 다중모드 광섬유이며, 상기 모드결합에 참여하는 모드가 상기 제1 및 제2 광섬유 중의 어느 한 광섬유의 LP01 모드와 다른 한 광섬유의 LP02 모드와 같은 대칭 고차모드인 것을 특징으로 하는 용융형 모드분할 방향성 결합기의 제조방법.
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