KR100387187B1 - 광파이버 그레이팅 소자, 제조 방법 및 광파이버 필터 - Google Patents

광파이버 그레이팅 소자, 제조 방법 및 광파이버 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보다 정밀한 설계 및 제조를 가능하게 하는 구조를 구비한 광파이버 그레이팅 소자, 그 제조방법 및 그것을 포함하는 광파이버 필터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자는 굴절률(n1)의 제 1 코어 영역과, 상기 제 1 코어 영역의 외주에 설치된 굴절률(n2)의 제 2 코어와, 상기 제 2 코어 영역의 외주에 설치된 굴절률(n3)의 클래드 영역을 구비하는 동시에, 사용 파장 대역으로부터 장파장측으로 LP02 모드광의 컷오프 파장을 갖는 멀티모드 광파이버를 포함한다. 상기 제 1 코어 영역의 소정 영역 내에는 사용 파장 대역내의 소정 파장의 기저 LP01 모드광을 LP0m(m≥2) 모드광에 선택적으로 결합시키는 장주기 그레이팅이 설치되어 있다. 특히, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자는, 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률을 Neff01로 하고, LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률을 Neff0m으로 할 때, n1＞Neff01＞n2＞Neff0m＞n3되는 관계를 만족하고 있다.

Description

광파이버 그레이팅 소자, 제조방법 및 광파이버 필터{OPTICAL FIBER GRATING ELEMENT, PRODUCTION METHOD THEREOF AND OPTICAL FIBER FILTER}
코어 내에 장주기 그레이팅(LPG: Long-Period Grating)이 설치된 광파이버 그레이팅 소자는 장주기 그레이팅에 의해 소정 파장의 코어 모드광을 클래드 모드(clad mode)광에 결합시키는 것에 의해, 해당 소정 파장의 빛을 감쇠시키는 광학 부품이다. 바꾸어 말하면, 광파이버 그레이팅 소자는 선택적으로 소정 파장의 코어 모드광의 파워를 클래드 모드광으로 이행시키는 광부품이다(예를 들면, A.M.Vengsarkar, et al., J.of Lightwave Tech., Vol.14(1996)pp.58-64를 참조). 여기서, 코어 모드광은 광파이버의 코어 영역에 가두어져 전파하는 빛이다. 한편, 클래드 모드광은 광파이버의 코어로부터 클래드에 방사되는 빛이다. 이러한 광파이버 그레이팅 소자는 광통신 등의 분야에 있어서, 광파이버중을 전파하여 온 사용 파장 대역의 코어 모드광중 소정 파장(손실 파장)의 코어 모드광을 선택적으로 차단하는 광파이버 필터 등으로서 이용된다.
상기 클래드 모드는 최외층인 클래드 표면이나, 해당 클래드와 클래드를 피복하는 피복층과의 경계에 의해서 규정되는 광파이버 전역을 고려한 기저 모드를 제외하는 고차 모드를 의미한다. 예를 들면, 싱글 모드 광파이버에는, 도 1A 에 도시된 바와 같이, 코어 만의 전파를 고려한 기저 모드와 광파이버 전역(A)의 전파를 고려한 고차 모드가 존재한다. 따라서, 싱글 모드 광파이버의 경우, 클래드를 둘러싸고 있는 부분의 굴절률(공기층이나 피복층의 굴절률)이 변화하면, 장주기 그레이팅에 있어서, 코어 모드광으로부터 클래드 모드광으로의 결합이 생기는 파장, 즉 손실파장도 시프트하여 버린다. 또한, 손실파장의 코어 모드광의 감쇠량도 변화한다. 특히, 멀티모드 광파이버의 외주면에 유리와 가까운 굴절률을 가지는 수지가 피복된 경우, 도 1B 에 도시된 바와 같이, 고차 모드(클래드 모드)는 소실되어 버리는 것이 알려져 있다(예를 들면, B.H.Lee, et al., OECC'98, 14P-50 이나, B.H.Lee, et al., Electronics Letters, Vol.34(1998) pp.1129-1130을 참조). 그 때문에, 멀티모드 광파이버에 장주기 그레이팅이 설치된 광파이버 그레이팅 소자는 그 보호를 목적으로 하는 피복을 할 수 없었다.
이러한 문제에 대처하기 위해서, 상기 B.H.Lee 등의 문헌에 기재된 광파이버 그레이팅 소자는 실리카를 베이스로 하는 듀얼 세이프 코어(DSC) 구조의 굴절률 프로파일을 갖는 싱글 모드 광파이버내에 장주기 그레이팅이 형성되어 있다. 여기서, DSC 구조의 싱글 모드 광파이버는 광축 중심으로부터 차례로 굴절률(n1)의 제 1 코어 영역, 굴절률(n2)의 제 2 코어 영역, 및 굴절률(n3)의 클래드 영역에 의해 구성된다(단, n1>n2>n3). 또한, 싱글 모드 광파이버의 제 1 및 제 2 코어 영역의 쌍방에 Ge02가 첨가되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 코어 영역에 공간적 강도 변조가 실시된 적외광이 조사되는 것에 의해, 이들 2개의 영역에 걸쳐 굴절률 변조영역, 즉 그레이팅이 형성된 광파이버 그레이팅 소자가 얻어진다. 이와 같이 싱글 모드 광파이버에 장주기 그레이팅이 설치되는 것에 의해 얻어지는 광파이버 그레이팅 소자는 제 1 코어 영역을 전파하는 소정 파장의 코어 모드광을 고차 모드(클래드 모드)광에 결합시켜, 그 소정 파장의 코어 모드광을 차단한다.
또한, 상기 장주기 그레이팅은 미국 특허 제5,703,978호에도 명시되어 있는 바와 같이, 광파이버 중을 전파하는 코어 모드와 클래드 모드 사이의 결합(모드·커플링)을 야기하는 그레이팅으로서, 소정 파장을 중심으로 하는 빛을 반사하는 단주기 그레이팅과는 명확하게 구별되는 그레이팅이다. 또한, 장주기 그레이팅에서는 코어 모드로부터 클래드 모드로의 강한 파워 변환을 얻기 위해서, 소정 파장(손실파장)의 코어 모드광과 클래드 모드광의 전파 정수차가 2π/A가 되도록 그레이팅 주기(피치; A)가 설정되어 있다. 이와 같이 장주기 그레이팅은 코어 모드를 클래드 모드에 결합시키도록 작용하기 때문에, 소정 파장(손실파장)을 중심으로 한 좁은 대역에 있어서 코어 모드광은 감쇠한다.
본 발명은 광통신 시스템에 적용 가능한 광부품으로서 특히, 멀티모드 광파이버 내에 장주기 그레이팅이 설치된 광파이버 그레이팅 소자, 그 제조방법, 및 상기 소자를 포함하는 광파이버 필터에 관한 것이다.
도 1A 는 싱글 모드 광파이버내에 있어서의 전파의 종류를 설명하기 위한 개념도이고, 도 1B 는 도 1A 에 도시된 싱글 모드 광파이버의 외주면을 수지층으로 덮었을 때의 문제점을 설명하기 위한 개념도.
도 2 는 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자의 구조적 특징을 간단하게 설명하기 위한 개념도.
도 3 은 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 및 광파이버 필터에 있어서의 제 1 실시예의 구조를 도시하는 일부 파단도.
도 4A 는 제 1 실시예에 따른 광파이버 그레이팅 소자의 기본적인 구조를 도시하는 단면도이고, 도 4B 는 도 4A 에 도시된 광파이버 그레이팅의 굴절률 프로파일.
도 5 는 제 1 실시예에 따른 광파이버 그레이팅 소자 외의 구조를 설명하기 위한 굴절률 프로파일.
도 6 은 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 및 광파이버 필터의 제 2 실시예의 구조를 도시하는 단면도.
도 7 은 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자의 제조방법을 설명하기 위한 개념도.
도 8 은 도 7 에 도시된 제조방법에 의해 얻어진 광파이버 그레이팅의 차단 특성의 측정 결과를 도시하는 그래프.
도 9A 내지 도 9C 는 장주기 그레이팅에 있어서의 굴절률 변조의 주기(그레이팅 주기)가 405μm인 제 1 실시예에 따른 광파이버 필터의 차단 특성을 도시하는 그래프이고, 도 9A 는 제조시, 도 9B 는 어닐후, 도 9C 는 재코팅 후의 광파이버 그레이팅 소자의 차단 특성을 도시하는 그래프.
도 10A 내지 도 10C 는 장주기 그레이팅에 있어서의 굴절률 변조의 주기(그레이팅 주기)가 380μm 인 제 1 실시예에 따른 광파이버 필터의 차단 특성을 도시하는 그래프이고, 도 10A 는 제조 시, 도 10B 는 어닐닝 한 후, 도 10C 는 재코팅한 후의 광파이버 그레이팅 소자의 차단 특성을 도시하는 그래프.
도 11 은 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 및 광파이버 필터에 있어서의 제 2 실시예의 차단 특성을 도시하는 그래프.
도 12 는 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자에 있어서의 손실 피크 파장의 가(可)제어성을 평가하기 위해서 제조된 각 샘플의 조성 및 온도 특성을 도시하는 표.
발명자들은 상술한 종래 기술을 검토한 결과, 이하와 같은 과제를 발견하였다. 우선, 상기 B.H.Lee 등의 문헌에 기재된 기술에서는 원하는 차단 특성(손실 파장, 손실량)을 갖는 광파이버 그레이팅 소자를 설계, 제조하는 것은 극히 어렵다. 왜냐하면, 자외광 조사에 기인한 제 1 및 제 2 코어 영역에 있어서의 굴절률의 변화량은, 조사되는 자외광의 강도나 조사시간 등의 조건, 또는 자외광이 조사되어야 할 광파이버 전처리의 조건에 크게 영향받기 때문이다.
더욱이, 제 1 및 제 2 코어 영역 각각에 있어서의 굴절률의 변화량은 예측 곤란하기 때문에, 손실파장(차단파장) 및 손실량(차단량)의 쌍방이 설계된 값 또는 범위내가 되도록 광파이버 그레이팅 소자의 제조를 정확하게 제어하는 것은 극히 어렵다.
본 발명은 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 보다 정밀한 설계 및 제조를 가능하게 하는 구조를 구비한 광파이버 그레이팅 소자, 그 제조방법 및 그것을 포함하는 광파이버 필터를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자는 사용 파장 대역으로부터 장파장측으로 LP02 모드광의 컷오프 파장을 갖는 멀티모드 광파이버와, 멀티모드 광파이버 내에 설치되고 상기 사용 파장 대역내의 소정 파장의 기저 LP01 모드광을 LP0m(m≥2) 모드광에 선택적으로 결합시키는 장주기 그레이팅을 구비한다. 구체적 으로 멀티모드 광파이버는, 소정 축에 따라서 연장된 굴절률n1의 제 1 코어 영역과, 해당 제 1 코어 영역의 외주에 설치되고 굴절률n2 (＜n1)의 제 2 코어 영역과, 해당 제 2 코어 영역의 외주에 설치된 굴절률n3 (＜n2)의 클래드 영역을 구비하고, 상기 장주기 그레이팅은, 제 2 코어 영역에 둘러싸인 제 1 코어 영역내에 설치된다. 또한, 이러한 멀티모드 광파이버는 제 1 및 제 2 코어 영역 사이에 중간 코어 영역이 설치된 구성이여도, 또한 제 2 코어 영역과 클래드 영역 사이에 딥레스트 영역이 설치된 구성이여도 좋다. 어떠한 구성이라도, 상기 광파이버 그레이팅 소자에 적용되는 멀티모드 광파이버는 도 2에 도시되는 바와 같이, 고차 모드의 전파영역(A)을, 해당 파이버의 외주면과 피복재료의 계면으로부터 이간시키도록 클래드 영역이 설치된 구조를 구비하고 있다.
특히, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자는 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률을 Neff01로 하고, LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률을 Neff0m으로 할 때, n1＞Neff01＞n2＞Neff0m＞n3 인 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 구조를 구비한 광파이버 그레이팅 소자에 의하면, 사용 파장 대역내의 소정 파장의 기저 LP01 모드광은 멀티모드 광파이버의 제 1 코어 영역에 형성된 장주기 그레이팅에 의해 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 결합된다. 고차 LP0m(m≥2) 모드광은 멀티모드 광파이버의 제 1 및 제 2 코어 영역에서 규정되는 전파영역내에 가두어지기 때문에, 멀티모드 광파이버의 외측에 있는 층으로부터 받는 영향이 작다(도 2 참조). 한편, 소정 파장 이외의 파장의 기저 LP01 모드광은 제 1 코어 영역내에 설치된 장주기 그레이팅을 그대로 투과한다. 또한, 기저 LP01 모드광은 제 1 코어 영역에 차폐되지만, 고차 LP0m(m≥2) 모드광은 제 1 및 제 2 코어 영역의 쌍방에서 규정되는 전파영역내에 차폐되기 때문에, 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 관하여 멀티모드 광파이버의 모드 필드 직경은 크다. 따라서, 해당 광파이버 그레이팅 소자의 후단에 싱글 모드 광파이버가 접속되는 경우, 멀티모드 광파이버의 장주기 그레이팅을 투과한 기저 LP01 모드광이 싱글 모드 광파이버의 코어에 입사될 때의 결합 손실은 작다. 이것에 대하여, 멀티모드 광파이버의 장주기 그레이팅에 있어서 발생한 고차 LP0m(m≥2) 모드광이 싱글 모드 광파이버의 코어 영역에 입사될 때의 결합 손실은크다.
또한, 멀티모드 광파이버가 상술한 바와 같은 구조를 갖는 경우, 제 1 코어 영역에만 GeO2가 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 기저 LP01 모드광으로부터 고차 LP0m(m≥2) 모드광으로의 결합 효율이 커지기 때문이다. 또한, 제 2 코어 영역에는 GeO2가 첨가되지 않는 것에 의해, 그레이팅 형성의 전후에서 제 2 코어 영역의 굴절률은 변화하지 않는다. 이 때문에, 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 관하여 장주기 그레이팅이 형성되는 멀티모드 광파이버의 모드 필드 직경의 변화는 작고, 해당 광파이버 그레이팅 소자는 용이하게 원하는 결합·특성 및 차단 특성을 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자에 있어서, 상기 멀티모드 광파이버는, 적어도 장주기 그레이팅이 형성되어 있는 부분을 둘러싸는 외주면이 피복되어도 좋다. 장주기 그레이팅에 있어서 발생한 고차 LP0m(m≥2) 모드광은 제 1 및 제 2 코어 영역내에 차폐되어 있기 때문에, 그레이팅 형성부가 피복되어 있어도, 기저 LP01 모드광으로부터 고차 LP0m(m≥2) 모드광으로의 결합이 발생하는 파장 및 결합 효율의 변동은 작기 때문이다. 또한, 광파이버 그레이팅 소자를 보호하는 데에 있어서 유효하다.
특히, 상기 멀티모드 광파이버의 외주면을 피복하는 층이 자외선 투과형 수지라면, 종래와 같이 일단 피복층을 벗길 필요는 없어지기 때문에, 해당 멀티모드 광파이버는 외부 손상을 받지 않고서, 또한 단시간의 광파이버 그레이팅 소자의 제조가 가능하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅의 제조방법은 상술한 바와 같이, GeO2가 소정량 첨가된 굴절률(n1)의 제 1 코어 영역, 굴절률n2 (＜n1)의 제 2 코어 영역, 굴절률n3 (＜n2)의 클래드 영역을 적어도 구비함과 동시에, 해당 클래드 영역의 외주면이 자외선 투과형 수지로 덮여진 멀티모드 광파이버를 준비하여, 상기 자외선 투과형 수지에 자외선을 조사하는 것에 의해 제 1 코어 영역내에 주기적인 굴절률 변화를 생기게 하는 것을 특징으로 하고 있다. 이 경우, 자외선 투과형 수지에 조사된 자외선이, 그 대부분이 해당 자외선 투과형 수지, 클래드 영역, 제 2 코어 영역의 순으로 통과하여, 제 1 코어 영역에 도달한다.
상기 사용 파장 대역은, 1.2μm 이상 1.7μm 이하인 것이 바람직하다. 이러한 파장 대역이라면, 일반적인 광통신에서 이용되는 파장영역에 있어서, 해당 광파이버 그레이팅 소자의 이용이 가능하게 되기 때문이다. 또한, 멀티모드 광파이버는 상기 사용 파장 대역에서 정규화 주파수가 4 이상 12 이하인 것이 바람직하다. 소정 파장의 기저 LP01 모드광으로부터 고차 LP0m(m≥2) 모드광으로의 효과적인 결합이 가능하게 되고, 또한, 원하는 특성을 갖는 광파이버 그레이팅 소자를 보다 정밀하게 설계 및 제조하는 것이 가능하게 되기 때문이다.
또한, 장주기 그레이팅은 해당 광파이버 그레이팅 소자가 설치되는 환경의 온도에 의존하여 손실 대역의 중심파장(손실 피크 파장)이 시프트하는 것이 알려져 있다. 이러한 손실 피크 파장의 온도 의존성을 저감하기 위해서는, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자는, 상기 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률(Neff01)의 온도 의존성을 dNeff01/dT로 하고, 상기 LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률(Neff0m)의 온도 의존성을 dNeff0m/dT(m≥2), 상기 장주기 그레이팅의 그레이팅 주기를 A 라고 할 때,
를 만족하는 m이 적어도 1개 존재하도록 해당 광파이버 그레이팅 소자를 설계하는 것이 바람직하다. 상기 조건은 예를 들면 제 1 코어 영역에 Ge 원소, P 원소 및 B 원소의 적어도 어느 하나를 첨가하고, 이들의 첨가량을 적절하게 조절하는 것에 의해 실현 가능하다.
반대로, 이러한 손실 피크 파장의 온도 의존성을 적극적으로 이용하는 것에 의해, 손실 피크 파장의 가변제어(이하, 온도 액티브 제어라고 한다)도 가능하다. 이 경우, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자는 상기 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률(Neff01)의 온도 의존성을 dNeff01/dT로 하고, 상기 LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률(Neff0m)의 온도 의존성을 dNeff0m/dT(m≥2), 상기 그레이팅의 그레이팅 주기를 A라고 할 때,
를 만족하는 m이 적어도 1개 존재하도록 설계되는 것이 바람직하다. 상기 조건도 예를 들면, 제 1 코어 영역에 Ge 원소, P 원소 및 B 원소의 적어도 어느 하나를 첨가하고, 이들의 첨가량을 적절하게 조절하는 것에 의해 실현 가능하다.
본 발명에 따른 광파이버 필터는 상술한 바와 같은 구조를 구비한 광파이버 그레이팅 소자와, 상기 사용 파장 대역으로부터 단파장측으로 LP02 모드광의 컷오프 파장을 갖는 싱글 모드 광파이버를 구비한다. 또한, 상기 싱글 모드 광파이버는 상기 사용 파장 대역내에 포함되는 파장의 신호광의 진행방향으로부터 보아 광파이버 그레이팅 소자의 적어도 후단에 배치된다. 이러한 광파이버 필터에서는 사용 파장 대역내의 소정 파장의 기저 LP01 모드광이, 광파이버 그레이팅 소자의 제 1 코어 영역에 설치된 장주기 그레이팅에 의해 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 결합된다. 고차 LP0m(m≥2) 모드광은, 멀티모드 광파이버의 제 1 및 제 2 코어 영역에서 규정되는 전파영역내에 차폐되기 때문에, 해당 멀티모드 광파이버의 외부환경으로부터 받는 영향은 작다. 또한, 상기 광파이버 필터에 있어서도, 소정 파장의 코어 모드광은 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 결합하지만, 이 고차 LP0m(m≥2) 모드광이 광학적으로 접속된 후단의 싱글 모드 광파이버의 코어 영역에 입사될 때의 결합 손실은 크다. 한편, 소정 파장 이외의 파장의 기저 LP01 모드광은 해당 광파이버 필터의 장주기 그레이팅을 투과하지만, 상기 코어 모드광이 광학적으로 접속된 후단의 싱글 모드 광파이버의 코어 영역에 입사될 때의 결합 손실은 작다. 즉, 해당 광파이버 필터는, 사용 파장 대역내의 소정 파장의 기저 LP01 모드광을 차단하고(선택적으로 감쇠시켜), 다른 파장의 기저 LP01 모드광을 투과시키도록 기능한다.
또한, 본 발명에 따른 각 실시예는 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 의해 더욱 충분하게 이해할 수 있다. 이들 실시예는 단지 예시를 위해서 나타내는 것이며, 본 발명을 한정하는 것으로 생각해서는 안된다.
또한, 본 발명의 응용범위는 이하의 상세한 발명으로부터 더욱 분명하게 된다. 그러나, 상세한 설명 및 특정한 사례는 본 발명의 적합한 실시예를 나타내는것이기는 하지만, 예시를 위해서만 나타내는 것이며, 본 발명의 사상 및 범위에 있어서의 여러 가지 변형 및 개량은 상세한 설명으로부터 당업자에는 자명한 것임은 분명하다.
이하, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 및 광필터 등의 각 실시예를 도 3,도 4A, 도 4B, 도 5 내지 도 8, 도 9A 내지 도 10C, 도 11 및 도 12 를 사용하여 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
(제 1 실시예)
도 3 은 제 1 실시예에 따른 광파이버 그레이팅 소자 및 광파이버 필터의 구조를 도시하는 일부 파단도이다. 제 1 실시예에 따른 광파이버 필터(1)는 싱글 모드 광파이버(20), 광파이버 그레이팅 소자(10) 및 싱글 모드 광파이버(30)가 순차로 종속 접속되고, 이들 각 요소(10, 20, 30)는 피복층(16)에 의해 일체적으로 덮여 있다.
광파이버 그레이팅 소자(10)는 사용 파장 대역으로부터 장파장측으로 LP02 모드광의 컷오프 파장을 갖는 멀티모드 광파이버와, 상기 사용 파장 대역중의 소정 파장의 기저 LP01 모드광을 고차 모드인 LP0m(m≥2) 모드광에 선택적으로 결합시키는 장주기 그레이팅(15)을 구비한다. 멀티모드 광파이버는, 소정축에 따라서 연장되는 제 1 코어 영역(12)과, 제 1 코어 영역(12)의 외주에 설치된 제 2 코어 영역(13)과, 제 2 코어 영역(13)의 외주에 설치된 클래드 영역(11)을 구비하고, 상기 장주기 그레이팅(15)은 제 2 코어 영역(13)에 둘러싸인 제 1 코어 영역(12)내에 형성되어 있다. 또한, 싱글 모드 광파이버(20)는 소정축을 따라서 연장된 코어(22)와, 상기 코어(22)의 외주에 설치되는 동시에 해당 코어(22)보다도 낮은 굴절률을 가지는 클래드(21)로 구성되며, 싱글 모드 광파이버(30)도, 소정축에 따라 신장된 코어(32)와 코어(32)의 외주에 설치되고 또한 코어(32)보다도 낮은 굴절률을 갖는 클래드를 구비한다.
상기 실시예에 있어서, 장주기 그레이팅(15)이 설치된 멀티 모드 광파이버 및 싱글 모드 광파이버(20, 30)에서는, 기저 LP01 모드광에 관한 모드 필드 직경은서로 동일하다. 이와 같이 설계되는 것에 의해, 기저 LP01 모드광은 각 광파이버간의 접속점을 저손실로 투과할 수 있다.
광파이버 그레이팅 소자(10)는 예를 들면, 도 4A 에 도시하는 바와 같이, 소정축에 따라서 연장되고 또한 외경(2a)을 갖는 굴절률(n1)의 제 1 영역(12), 해당 제 1 코어 영역(12)의 외주에 설치되고 또한 외경(2b)을 갖는 굴절률(n2; ＜n1)의 제 2 코어 영역(13), 및 해당 제 2 코어 영역(13)의 외주에 설치된 굴절률(n3; ＜n2)의 클래드 영역(11)으로 구성된 멀티모드 광파이버와, 멀티모드 광파이버의 외주면(클래드 영역(11)의 외주면)을 덮는 피복층(16)을 구비한다. 제 1 코어 영역(12)에는 GeO2가 첨가되어 있고, 공간 변조된 자외선이 제 1 코어 영역(12)에 조사되는 것에 의해, 장주기 그레이팅(15)이 상기 제 1 코어 영역(12)내에 형성된다.
또한, 도 4B 는 도 4A 에 도시된 광파이버 그레이팅 소자(10)중, 멀티모드 광파이버의 선(L)에 따른 굴절률 프로파일(150)이다. 이 굴절률 프로파일(150)에 있어서, 영역(151)은 상기 제 1 코어 영역(12)의 선(L)상에 있어서의 각 부위의 굴절률, 영역(152)은 상기 제 2 코어 영역(13)의 선(L)상에 있어서의 각 부위의 굴절률, 영역(153)은 상기 클래드 영역(11)의 선(L)상에 있어서의 각 부위의 굴절률을 각각 나타내고 있다.
이상과 같은 구조를 갖는 광파이버 그레이팅 소자(10)에 있어서, 사용 파장 대역에 있어서 기저 LP01 모드광 및 고차 LP0m(m≥2) 모드광 각각은, 상기 제 1 및 제 2 코어 영역(12, 13)에 의해 규정되는 전파영역 내에 차폐된 상태에서전파한다(도 2 참조). 또한, 싱글 모드 광파이버(20)의 코어(22)중을 전파하여 오고 사용 파장 대역의 빛중, 기저 LP01 모드와 LP0m(m≥2) 모드 사이의 위상 정합 조건을 만족하는 파장의 기저 LP01 모드광이, 제 1 코어 영역(12)내에 형성된 장주기 그레이팅(15)에 의해 결합된다(모드·커플링). 상기 위상 정합 조건을 만족하는 파장, 즉 손실 파장의 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 관한 멀티모드 광파이버의 모드 필드 직경은 크기 때문에, 싱글 모드 광파이버(30)의 코어(32)에 입사할 때에, 해당 고차 LP0m(m≥2) 모드광은 크게 감쇠한다. 바꾸어 말하면, 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 대해서는, 장주기 그레이팅(15)이 설치된 멀티모드 광파이버와 싱글 모드 광파이버(30)와의 결합 손실이 크다. 한편, 손실 파장 이외의 파장의 기저 LP01 모드광(장주기 그레이팅(15)을 통과한 코어 모드광)에 대해서는, 싱글 모드 광파이버(30)의 코어(32)에 입사할 때의 결합 손실이 작다. 따라서, 이 실시예에 따른 광파이버 필터(1)는 싱글 모드 광파이버(20)의 코어 영역(22)을 전파하고 와서 사용 파장 대역의 빛중, 장주기 그레이팅(15)의 그레이팅 주기(A)로 규정되는 손실파장의 기저 LP01 모드광을 차단하고, 해당 손실 파장 이외의 기저 LP01 모드광을 저손실로 싱글 모드 광파이버(30)의 코어(32)로 유도하도록 기능한다.
손실파장의 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 관한 멀티모드 광파이버의 모드 필드 직경이 클수록, 해당 고차 LP0m 모드광이 싱글 모드 광파이버(30)로 입사할 때의 손실량 즉 차단량이 커지기 때문에 바람직하다. 그래서, 상기 제 1 실시예에 따른 광파이버 그레이팅 소자(10)에서는, 도 4A 및 도 4B에 도시된 바와 같이, 제 1 코어 영역(12), 제 2 코어 영역(13) 및 클래드 영역(14)으로 구성된 듀얼 세이프 코어(DSC) 구조의 굴절률 프로파일을 갖는 멀티모드 광파이버로서, 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률을 Neff01 로 하고, 고차 LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률을 Neff0m(m≥2)라고 할 때,
n1＞Neff01＞n2＞Neff0m＞n3 …(1)
인 관계식을 만족하고 있다(도 4B 참조).
또한, 기저 LP01 모드광과 고차 LP0m(m≥2) 모드광이 장주기 그레이팅(15)을 개재시켜 결합하기 위해서는, 파장을 λ라고 하고, 장주기 그레이팅(15)의 주기를 A라고 할 때,
λ=A(Neff01-Neff0m) …(2)
로 규정되는 위상 정합 조건이 만족될 필요이다.
또한, 장주기 그레이팅(15)이 형성된 멀티모드 광파이버는, 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같은 굴절률 프로파일(250)을 가져도 좋다. 이 멀티모드 광파이버는, 도 4A 에 도시된 멀티모드 광파이버에 있어서, 제 1 코어 영역(12)과 제 2 코어 영역(13) 사이에 외경(2c), 굴절률n4 (＜n1, n2)의 중간 코어 영역이 설치됨과 동시에, 제 2 코어 영역(13)과 클래드 영역(14) 사이에 외경(2d), 굴절률n5 (＜n 2, n 3)의 딥레스트 영역이 새롭게 설치된 구조이다. 상기 도 5 에 도시된 바와 같은 굴절률 프로파일(250)을 갖는 멀티모드 광파이버에 있어서도, 고차 LP0m(m≥2) 모드광이 전파하는 영역이 최외층인 클래드 영역에 의해 해당 멀티모드 광파이버의 외주면을 덮는 피복층으로부터 사이가 멀어지기 때문에, 기저 LP01 모드광과 고차 LP0m 모드의 결합을 가능하게 한다.
또한, 도 5 에 도시된 굴절률 프로파일(250)에 있어서, 영역(251)은 도 4A에 있어서의 제 1 코어 영역(12)에 상당하는 영역의 굴절률, 영역(252)은 상기 중간 코어 영역의 굴절률, 영역(253)은 도 4A에 있어서의 제 2 코어 영역(13)에 상당하는 영역의 굴절률, 영역(254)은 상기 딥레스트 영역의 굴절률, 영역(255)은 도 4A에 있어서의 클래드 영역(14)에 상당하는 영역의 굴절률을 각각 도시하고 있다.
이들 도 4B 및 도 5의 어떠한 것에 도시된 굴절률 프로파일(150, 250)을 갖는 멀티모드 광파이버라도, 기저 LP01 모드광은, 멀티모드 광파이버의 제 1 코어 영역(12; 외경(2a))에 실질적으로 차폐된 상태에서 전파하고, 후단의 싱글 모드 광파이버(30)의 코어(32)로 고효율로 입사한다. 또한, 고차 LP0m 모드광은, 멀티모드 광파이버의 제 1 및 제 2 코어 영역(12, 13)의 쌍방으로 규정되는 전파 영역(외경(2b))에 실질적으로 차폐되어 전파하고, 후단의 싱글 모드 광파이버(30)의 코어(32)로 입사할 때에 크게 감쇠한다. 고차 LP0m 모드광에 관한 멀티모드 광파이버의 모드 필드 직경은 제 2 코어 영역(13)의 외경(2b)의 정도로 되기 때문에, 제 2 코어 영역(13)의 외경(2b)의 값이 클수록, 손실파장에 있어서의 손실량(차단량)은 커진다.
또한, 도 4B 및 도 5에 도시된 어떠한 굴절률 프로파일을 갖는 멀티모드 광파이버라도, 제 1 코어 영역(12)에만 GeO2가 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 제 1 코어 영역(12)의 굴절률(n1)을 다른 영역과 비교하여 상대적으로 크게 할 수 있는 동시에, 자외선 조사에 의해 제 1 코어 영역(12)내에 결정 결함의 반응을 주기적으로 발생시키는 것에 의해 장주기 그레이팅(15)을 용이하게 형성할 수 있기 때문이다. 또한, 제 1 코어 영역(12)의 굴절률(n1)이 커지면, 기저 LP01 모드광으로부터 고차 LP0m(m≥2) 모드광으로의 결합 효율이 커지고, 이 점에서도 바람직하다. 더욱이, 제 2 코어 영역(13)에 GeO2가 첨가되어 있지 않는 것에 의해, 장주기 그레이팅(15)이 제 1 코어 영역(12)내에 형성되는 전후에서 제 2 코어 영역(13)의 굴절률 변화는 발생하지 않기 때문에, 고차 LP0m(m≥2) 모드광에 관한 멀티모드 광파이버의 모드 필드 직경의 변화는 작게 억제됨과 동시에, 광파이버 그레이팅 소자(10) 및 광파이버 필터(1) 각각은 원하는 결합 특성 및 차단 특성이 얻어진다.
또한, 장주기 그레이팅(15)이 설치되는 멀티모드 광파이버는, 제 2 코어 영역(13)이 P2O5첨가 실리카로서 클래드 영역(14)이 순 실리카인 구성, 제 2 코어 영역(13)이 P2O5첨가 실리카로서 클래드 영역(14)이 F 첨가 실리카인 구성, 또는, 제 2 코어 영역(13)이 순 실리카이고 클래드 영역(14)이 F 첨가 실리카인 구성의 어떠한 것이라도 좋다. 또한, 제 2 코어 영역(13)이 Cl 첨가 실리카로서 클래드 영역(14)이 제 2 코어 영역(13)보다 적은 양의 Cl이 첨가된 실리카 또는 순 실리카인 구성이여도 좋다.
이상과 같이 구성된 광파이버 그레이팅 소자(10)는 장주기 그레이팅(15)이 형성된 부분을 둘러싸는 멀티모드 광파이버 표면도 수지 등의 피복층으로 덮는 것이 가능해진다. 도 3 에 도시된 광파이버 필터(1)에서는, 멀티모드 광파이버의 피복을 일단 제거하여 자외광을 조사하는 것에 의해 제 1 코어 영역(12)내에 장주기 그레이팅(15)이 형성된다. 그리고, 장주기 그레이팅(15)이 형성된 멀티모드 광파이버의 일단은, 싱글 모드 광파이버(20)의 일단을 융착 접속되고, 상기 멀티모드 광파이버의 타단은, 싱글 모드 광파이버(30)의 일단과 융착 접속된다. 그 후, 멀티모드 광파이버와 동시에 이들 싱글 모드 광파이버(20, 30)의 융착 접속부까지도 피복층(16)에 의해 피복된다. 이와 같이 부재(10, 20, 30)가 일체적으로 피복되는 것에 의해, 광파이버 그레이팅 소자(10), 및 싱글 모드 광파이버(20, 30) 각각을 보호할 수 있고, 광파이버 그레이팅 소자(10) 및 광파이버 필터(1) 각각의 취급이 용이하게 된다.
또한, 상기 제 1 실시예에 따른 광파이버 그레이팅 소자(10)에서는, 손실파장의 기저 LP01 모드광은 클래드 영역(14)에 방사되는 클래드 모드광에 결합되는 것은 아니며, 제 1 및 제 2 코어 영역(12, 13)으로 규정되는 전파영역내에 차폐되는 고차 LP0m 모드광에 결합되기 때문에, 멀티모드 광파이버가 피복층(16)에 의해 피복되었다고 하여도, 또한, 그 피복층(16)의 굴절률이 얼마이더라도, 손실파장 및 손실량(차단량) 각각의 변동은 작다.
또한, 해당 광파이버 그레이팅 및 광파이버 필터에 있어서의 사용 파장 대역은, 1.2μm 이상 1.7μm 이하인 것이 바람직하다. 일반적으로 광통신 등에서 이용되는 신호광 파장 대역은, 1.3μm 대, 1.55μm 대 및 1.65μm 대 등이기 때문이다. 또한, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자에 적용 가능한 멀티모드 광파이버는,
V= 2πa(n12 - n32) 12/λ …(3)
인 식으로 규정되는 정규화 주파수(V)가 사용 파장 대역에 있어서 4 이상 12 이하인 것이 바람직하다.
즉, 기저 LP01 모드광의 전자계 분포는 우함수(even function)이므로, 이것과 결합하기 위해서는, 고차 모드광의 전자계 분포도 우함수인 것이 필요하다. 이러한 관점으로부터, 정규화 주파수(V)는 사용 파장 대역에 있어서 4 이상인 것이 필요하다.
또한, 고차 LP0m(m≥2) 모드의 차수가 클수록, 그 모드의 광은, 코어 영역 또는 제 2 코어 영역으로부터 밖으로의 추출 성분(이버네센트 성분)의 비율이 크고, 또한, 추출의 거리도 길어진다. 그 때문에, 장주기 그레이팅은, 멀티모드 광파이버의 외부 환경의 영향을 받기 쉬워지고, 손실파장 및 손실량(차단량) 각각도 변동하기 쉬워진다. 또한, 기저 LP01 모드광과 결합하는 고차 LP0m 모드광은, 가능한 한 LP02, LP03 및 LP04 등의 비교적으로 기저 LP01 모드에 가까운 빛인 것이 바람직하다. 한편, 다수의 고차 LP0m 모드광이 존재할 수 있는 것과 같은 경우에는, 이들의 빛이 서로 근접하기 때문에, 원하는 특성을 실현하는 것이 어렵게 된다. 이러한 관점으로부터, 정규화 주파수(V)가 사용 파장 대역에 있어서 12이하인 것이, 원하는 손실파장 및 손실량(차단량)을 갖는 광파이버 그레이팅 소자(10) 및 광파이버 필터(1) 각각을 용이하게 설계 및 제조하는 데에 있어서 바람직하다.
또한, 장주기 그레이팅(15)이 형성되는 멀티모드 광파이버의 제 2 코어 영역(13)의 굴절률에 따라서는, 고차 LP0m 모드광의 차폐가 약하고, 손실파장 또는 손실량(차단량)은 클래드 영역(14)의 외부환경의 영향에 의해 변동하는 경우가 있으며, 이러한 경우에는, 멀티모드 광파이버 표면에 피복층(16)을 설치할 수 없다.따라서, 제 2 코어 영역(13)은 고차 LP0m 모드광을 충분히 차폐하는 것이 필요하다. 이 차폐의 정도는 제 1 코어 영역(12), 제 3 코어 영역(13) 및 클래드 영역(14) 각각의 굴절률에 의존하고, 또한, 고차 LP0m 모드의 차수(m)에도 의존한다.
예를 들면, 클래드 영역(14)의 외경이 125μm이며, 제 2 코어 영역(13)의 굴절률을 기준으로 하는 클래드 영역(14)의 비굴절률차가 -0.1%(=(n3-n2)/n2) 정도인 경우에는, 제 2 코어 영역(13)의 외주와 클래드 영역(14)의 외주의 간격이 3μm 이상이면, 고차 LP0m 모드광을 충분하게 차폐할 수 있다. 또한, 제 2 코어 영역(13)의 굴절률을 기준으로 하는 클래드 영역(14)의 비굴절률차가 -0.04% 정도인 경우에는, 제 2 코어 영역(13)의 외주와 클래드 영역(14)의 외주의 간격이 10μm 이상 이면, 고차 LP0m 모드광을 충분히 차폐할 수 있다. 단, 제 2 코어 영역(13)의 굴절률을 기준으로 하는 클래드 영역(14)의 비굴절률차가 10.04% 정도 이상인 경우는, 고차 LP0m 모드광의 차폐의 정도가 멀티모드 광파이버의 굴곡에 큰 영향을 받기 때문에, 현실적이지 않다.
(제 2 실시예)
다음에, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자 및 광파이버 필터에 있어서의 제 2 실시예에 대하여 설명한다. 도 6 은 제 2 실시예에 따른 광파이버 그레이팅 소자 및 광파이버 필터의 단면 구조를 도시하는 도면이다. 제 2 실시예에 따른 광파이버 필터(2)는 제 1 실시예에 따른 광파이버 필터(1)의 구조와 유사하지만, 장주기 그레이팅(15)이 형성된 멀티모드 광파이버가 굴곡부(17)를 갖고 있는 점에서 다르다.
상기 굴곡부(17)는 멀티모드 광파이버 및 싱글 모드 광파이버(30)의 융착 접속부와, 멀티모드 광파이버로 그레이팅(15)이 형성되어 있는 영역과의 사이에 설치되어 있다.
상기 실시예에 따른 광파이버 필터(2)에서는, 싱글 모드 광파이버(20)의 코어 영역(22)을 전파하는 빛 중, 고차 LP0m(m≥2) 모드광과의 사이의 위상 정합 조건을 만족하는 파장(손실파장)의 기저 LP01 모드광이, 장주기 그레이팅(15)에 의해서 고차 LP0m 모드광에 결합한다. 이 위상 정합 조건을 만족하는 파장 즉 손실파장의 고차 LP0m 모드광은, 굴곡부(17)에 있어서 클래드 영역(14)으로 방사되어 감쇠한다. 또한, 손실파장의 고차 LP0m 모드광에 관한 멀티모드 광파이버의 모드 필드 직경이 크기 때문에, 손실 파장의 고차 LP0m 모드광이 싱글 모드 광파이버(30)의 코어 영역(32)에 입사할 때의 손실은 커진다. 한편, 손실파장이외의 기저 LP01 모드광은, 굴곡부(17)에 있어서의 방사가 적고, 또한, 싱글 모드 광파이버(30)의 코어 영역(32)에 입사할 때의 손실도 작다. 따라서, 이 광파이버 필터(2)는, 싱글 모드 광파이버(20)의 코어 영역(22)내를 전파하는 빛중, 손실파장의 기저 LP01 모드광을 상술한 제 1 실시예의 경우보다 효과적으로 차단하는 한편(손실량이 제 1 실시예의 경우보다도 크다), 손실 파장 이외의 기저 LP01 모드광을 저손실로 싱글 모드 광파이버(30)의 코어 영역(32)으로 유도한다.
(제조방법)
멀티모드 광파이버중에 장주기 그레이팅이 형성된 광파이버 그레이팅 소자의제조에 있어서는, 종래부터 일단 피복층을 벗겨 멀티모드 광파이버의 일부를 노출시켜, 공간변조된 자외선을 해당 노출 부분에 조사하는 것에 의해, GeO2가 첨가되어 있는 코어 영역에 주기적인 굴절률 변화를 생기게 하는 것이 일반적이었다.
장주기 그레이팅이 형성된 멀티모드 광파이버는 상술한 바와 같이, 피복층으로 표면을 덮을 수 없기 때문에, 노출한 멀티모드 광파이버의 표면에 흠 등의 외부손상이 생기기 쉽고, 그 취급이 대단히 어려웠다. 이러한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자 및 광파이버 필터는, 피복층에 의해 장주기 그레이팅이 형성된 멀티모드 광파이버 표면의 보호를 가능하게 하는 구조를 구비하고 있다. 그런데, 이와 같이 피복층에 의한 보호를 가능하게 하는 구조이여도 그레이팅 제조시에 일단 피복층을 벗기고 있었다면, 피복층을 벗길 때에 외부 손상이 발생할 가능성이 있다. 또한, 이 박리공정은 멀티모드 광파이버표면을 상처를 입히지 않도록 신중하게 행해지지 않으면 안된다.
본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자의 제조방법에서는, 상술한 바와 같은 시간이 걸리고, 멀티모드 광파이버 표면을 상처 입힐 가능성이 있는 박리공정을 행하지 않고서 장주기 그레이팅을 멀티모드 광파이버내로 형성하는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
구체적으로는, 도 7 에 도시된 바와 같이, 도 4B 나 도 5 에 도시된 바와 같은 굴절률 프로파일(150, 250)을 갖는 멀티모드 광파이버 표면을 자외선 투과형 수지(16)로 덮은 광파이버 재료를 준비한다. 또한, 피복층(16)에 적합한 자외선 투과형 수지로서는 예를 들면 열경화형 실리콘 수지, 비닐 에스테르 등이 있다. 더욱이, 자외선 투과율이 50%를 넘는 수지라면 범용의 수지이더라도 적용 가능하다. 또한, 코어 영역내에 포함되는 유리 결함의 반응성을 향상시켜 그레이팅의 형성을 쉽게 하기 위해서, 미리 소정 압력하의 수소 분위기중에 일정 기간 보관하여 두는 것이 바람직하다.
계속해서, 준비된 광파이버 재료의 그레이팅 형성 영역 근방에 강도 변조 마스크(500)가 설치된다. 그리고, Ar 레이저(300)로부터 조사된 자외광이, 미러(400)를 개재시켜 강도 변조 마스크(500)에 조사된다. 이 때, 미러(400)가 도면중 화살표(S1)로 도시된 방향으로 이동하는 것에 의해, 설치된 광파이버 재료의 자외선 조사 영역이 상대적으로 이동하게 된다.
강도 변조 마스크(500)를 통과하여 공간 변조된 빛은 피복층(16), 클래드 영역(14), 제 2 코어 영역(13)을 차례로 통과한 후, GeO2가 첨가된 제 1 코어 영역(12)에 도달한다. 이로써, 제 1 코어 영역(12)내에서 주기적인 굴절률 변화가 생겨 원하는 장주기 그레이팅이 얻어진다.
도 8 은 이상과 같은 제조방법에 의해서 얻어진 광파이버 그레이팅 소자의 차단 특성을 측정한 결과를 도시하는 그래프이다.
측정을 위해 준비된 광파이버 재료는 도 4A 에 도시된 구조를 구비한 멀티모드 광파이버로서, 상기 멀티모드 광파이버의 표면은, 와이어 드로잉(wire drawing)시에 열경화형 실리콘 수지로 피복되어 있다.
이와 같이 열경화형 실리콘 수지로 피복된 멀티모드 광파이버(광파이버 재료)를 5 기압의 수소 분위기중에 일정 기간 보관한 후, 도 7 에 도시된 바와 같이,Ar 레이저(300)를 이용하여 자외선 조사(SHG 이용)가 행하여졌다. 또한, 형성되는 장주기 그레이팅의 그레이팅 주기는 370μm이고, 이 자외선 조사는 와이어 드로잉시에 피복된 열경화형 실리콘 수지를 개재시켜 행하여졌다.
이상 구체적으로 설명된 제조방법에 의해, 파장 1540nm 부근에서 2.2dB 정도의 손실이 발생하는 장주기 그레이팅이 얻어짐이 확인되었다(도 8의 그래프 참조).
또한, 발명자들은 얻어진 광파이버 그레이팅 소자에 대하여, 그 인장 특성도 측정하였다. 그 결과, 파단 강도(n=10)는 평균 6.1kg, 표준 편차 0.2kg이었다. 비교를 위해, 종래의 제조방법에 의해 제조된 광파이버 그레이팅 소자(피복층을 제거하여 장주기 그레이팅을 형성한 후, 재차 수지로 피복된 것)의 파단강도(n= 10)를 측정한 바, 평균 1.5kg, 표준 편차 0.8kg 이었다. 이 사실로부터도 본 발명에 따른 제조방법에 의해 얻어지는 광파이버 그레이팅 소자쪽이 종래의 제조방법에 의해 얻어지는 광파이버 그레이팅과 비교하여 파단 강도가 향상되는 것이 확인되었다.
(제 1 실시예의 측정 결과)
다음에, 제 1 실시예에 따른 광파이버 그레이팅 소자 및 광파이버 필터 에 관하여 구체적으로 제조된 복수의 샘플에 대하여 설명한다.
우선, 준비된 샘플(1, 2)의 멀티모드 광파이버는 모두 DSC 구조의 굴절률 프로파일을 갖는 석영계 광파이버이다. 제 1 코어 영역(12)은 Ge 원소 및 B 원소가 함께 첨가된 실리카이고, 외경 2.78μm을 갖는다. 또한, 제 2 코어 영역(13)의 굴절률을 기준으로 하는 제 1 코어 영역(12)의 비굴절률차는 + 1.3%(=(n1-n2)/n2)이다. 제 2 코어 영역(13)은 Cl2탈수된 순 실리카(고의로는, 불순물이 첨가되어 있지않는 실리카)이고, 외경 28μm를 갖는다. 클래드 영역(14)은 F 원소가 첨가된 실리카이고, 외경 125μm 이다. 또한, 제 2 코어 영역(13)의 굴절률을 기준으로 하는 클래드 영역의 비굴절률차는 -0.35%(=(n3-n2)/n2)이다. 이들 샘플(1, 2)에서는, 모두 1.55μm 파장대에 있어서, 기저 LP01 모드 외에 7개의 고차 모드(LP02, LP11, LP21, LP31, LP12, LP03, LP41)가 존재한다.
샘플(1, 2)의 멀티모드 광파이버는 5 기압으로 50℃ 의 100% 수소 분위기중에서 3 일간에 전처리가 행해지고, 그 후, 장주기 그레이팅(15)이 형성되었다. 장주기 그레이팅(15)의 형성 시에는, Ar 레이저 광원으로부터 출력된 자외광을 강도변조 마스크를 개재시켜 샘플(1, 2)의 각 멀티모드 광파이버에 직접 조사하는 것에 의해, 굴절률 변화를 생기게 하였다. 장주기 그레이팅(15)이 형성된 영역의 길이는 30mm 이다. 또한, 샘플(1)에서는, 장주기 그레이팅(15)에 있어서의 굴절률 변화의 주기(그레이팅 주기)는 405μm, 샘플(2)에서는, 380μm 이다. 장주기 그레이팅(15)이 형성된 후, 샘플(1, 2) 모두, 140℃ 에서 10 시간 어닐링되는 것에 의해 수소가 제거되고, 피복층(16)에 의해 재코팅되어 있다.
도 9A 는 장주기 그레이팅의 그레이팅 주기가 405μm인 샘플(1)의 차단 특성을 도시하는 그래프이고, 도 9A 는 제조 시, 도 9B 는 어닐링 후, 도 9C 는 재코팅 후의 차단 특성을 도시하고 있다. 또한, 도 10A 내지 도 10C 는 장주기 그레이팅에 있어서의 그레이팅 주기가 380μm 인 샘플(2)의 차단 특성을 도시하는 그래프이고, 도 10A 는 제조 시, 도 10B 는 어닐링 후, 도 10C 는 재코팅 후의 차단 특성을 도시하고 있다.
상기 그래프는 모두, 싱글 모드 광파이버(20)로부터 각 샘플(1, 2)에 입사된 빛의 파워에 대한 샘플(1, 2)로부터 싱글 모드 광파이버(30)에 입사하여 해당 싱글 모드 광파이버(30)의 타단으로부터 출사된 빛의 세기의 비가 도시하되어 있다.
이들의 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 샘플(1; 장주기 그레이팅에 있어서의 그레이팅 주기가 405μm)의 손실 피크 파장은 1690nm 부근이고, 샘플(2; 장주기 그레이팅에 있어서의 그레이팅 주기가 380μm)의 손실 피크 파장은 1650nm 부근이었다. 이들 샘플(1, 2)의 손실 피크 파장에 있어서의 투과 손실은 기저 모드 LP01로부터 LP02 모드로의 결합에 기인하고 있다. 또한, 샘플(1, 2)는 모두 재코팅 후이더라도 손실파장이 소실되는 일은 없었다(손실 피크 파장은 변화하지 않고, 투과 손실의 변동도 약간).
(제 2 실시예의 측정 결과)
다음에, 제 2 실시예에 따른 광파이버 그레이팅 소자 및 광파이버 필터에 관해서 구체적으로 제조된 샘플에 대하여 설명한다.
우선, 준비된 샘플(3)의 멀티모드 광파이버는 모두 DSC 구조의 굴절률 프로파일을 갖는 석영계 광파이버이다. 제 1 코어 영역(12)은 Ge 원소 및 B 원소가 함께 첨가된 실리카로서, 외경은 3.4μm 이다. 또한, 제 2 코어 영역(13)의 굴절률을 기준으로 하는 제 1 코어 영역의 비굴절률차는 +0.995%이다. 제 2 코어 영역(13)은 Cl2탈수된 순 실리카이고, 외경은 100μm 이다. 클래드 영역(14)은 F 원소가 첨가된 실리카이고, 외경은 125μm 이다. 제 2 코어 영역(13)의 굴절률을 기준으로 하는 클래드 영역(14)의 비굴절률차는 -0.749% 이다. 이 샘플(3)의 멀티모드 광파이버에서도, 1.55μm 파장대에 있어서, 기저 LP01 모드의 외에 몇개인가의 고차 모드가 존재한다.
상기 샘플(3)의 멀티모드 광파이버에 대해서는, 전처리가 행해지지 않고서, 장주기 그레이팅(15)이 형성된다. 장주기 그레이팅(15)의 형성에 있어서는, 엑시머 레이저 광원으로부터 출사된 자외광을 강도 변조 마스크를 개재시켜 샘플(3)의 멀티모드 광파이버에 조사하는 것에 의해, 굴절률 변화를 생기게 하였다. 장주기 그레이팅(15)이 형성된 영역의 길이는 40mm 이고, 해당 장주기 그레이팅(15)에 있어서의 그레이팅 주기는 403μm 이다. 그레이팅(15)이 형성된 후, 샘플(3)은 140℃에서 10시간 어닐되어 수소가 제거되고, 피복층(16)에 의해 재코팅되었다. 이 피복층(16)은, 최외층인 클래드 영역(14)의 굴절률과 거의 같은 굴절률을 갖는다.
도 11 은 재코팅 후의 샘플(3)의 차단 특성을 도시하는 그래프이다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 샘플(3)에 있어서의 손실 피크 파장은 1530nm 부근이었다. 이 손실 피크 파장에 있어서의 투과손실은 기저 모드 LP01로부터 LP02모드로의 결합에 기인하고 있다. 또한, 상기 샘플(3)은 최외층인 클래드 영역(14)의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 갖는 피복층(16)에 의해 재코팅되었음에도 불구하고, 손실파장은 소실되지 않고 있다(최대손실은 6.0dB 정도).
(온도 의존성)
다음에, 장주기 그레이팅의 손실 피크 파장은 온도 변화에 기인하여 변동하는 것이 알려져 있고, 범용의 광파이버에 형성된 장주기 그레이팅에 있어서의 손실 피크 파장의 온도 의존성은 4 내지 10nm/100℃(=0.04 내지 0.1nm/℃) 정도이다.예를 들면 미국 특허 제5,7 O3,978호나 일본 특원평9-274115호 공보에는, 이러한 장주기 그레이팅의 온도 의존성을 저감하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 상기 미국 특허 제5,703,978호나 일본 특원평9-274115호 공보에 개시된 기술은 대단히 정밀한 농도 조절이 요구되기 때문에 생산성의 향상은 기대할 수 없다.
장주기 그레이팅에 있어서의 손실 피크 파장의 온도 의존성은 코어 영역에 있어서의 굴절률의 온도 의존성이 지배적인 코어 모드광과, 클래드 영역에 있어서의 굴절률의 온도 의존성이 지배적인 클래드 모드광의 각 실효 굴절률의 온도 계수의 차로 결정된다. 따라서, 장주기 그레이팅 손실 피크 파장의 온도 의존성을 실효적으로 저감시키기 위해서는 코어 및 클래드의 실효 굴절률의 온도 계수를 정밀하게 일치시킬 필요가 있다. 반대로, 장주기 그레이팅에 있어서의 손실 피크 파장의 온도 의존성을 적극적으로 이용하는 온도 액티브 제어에 관해서도, 상술된 온도 의존성으로서는 불충분하다. 왜냐하면, 도 8 에 도시되는 바와 같이, 장주기 그레이팅의 손실 특성(차단 특성)은 손실 피크 파장을 중심으로 하여 어느 정도 폭을 가지고 있기 때문에, 적극적으로 손실 피크 파장을 시프트시키는 경우에는 상술한 O.1nm/℃보다도 큰 온도 의존성이 달성되는 것이 바람직하다. 또한, 통상의 싱글 모드 광파이버와의 접속을 고려하면, 장주기 그레이팅이 형성되는 광파이버에 있어서의 빛의 전파도 싱글 모드인 것이 바람직하다. 그 경우, 코어에 첨가되는 GeO2첨가량은 제한되기 때문에, 실현 가능한 온도 의존성은 상술한 0.O4 내지 0.1nm/℃ 정도에 한정되어 버린다.
본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자에서는, 상대적으로 클래드 모드광에 포함되는 코어 잔류분이 많기 때문에, 코어, 클래드간에 있어서 실제의 굴절률의 온도 의존성(dn/dt)이 다소 달라도, 실효 굴절률의 온도 의존성은 작게 억제된다. 또한, 상기 광파이버 그레이팅은 도 4B 나 도 5 에 도시된 바와 같은 굴절률 프로파일(150, 250)을 갖는 멀티모드 광파이버를 적용하여, 장주기 그레이팅이 형성되어야 할 제 1 코어 영역에 첨가되는 불순물의 종류 및 농도를 조절하는 것에 의해, 장주기 그레이팅의 온도 의존성의 한층 더 저감, 또는 장주기 그레이팅의 온도 액티브 제어를 가능하게 한다.
구체적으로 본 발명은 제 1 코어 영역내에 Ge 원소, P 원소 및 B 원소의 적어도 어느 하나를 소정량 첨가하여 두고, 상기 제 1 코어 영역에 장주기 그레이팅을 형성하여 원하는 온도 의존 특성을 실현하고자 하는 것이다.
발명자들은 도 1A와 같은 굴절률 프로파일을 갖는 광파이버(샘플(4))와, 도 4B와 같은 굴절률 프로파일을 갖는 광파이버(샘플(5 내지 7))를 준비하여, 각 샘플의 온도 의존성을 측정하였다. 도 12 는 준비된 샘플(5 내지 7) 각각의 조성 및 온도 의존성을 정리한 표이다.
우선, 준비된 샘플(4)은 외경 2.5μm의 코어와, 외경 125μm의 순 실리카 클래드로 이루어지는 석영계 광파이버이다. 또한, 상기 샘플(4)의 코어에는, GeO2와 B2O3가 함께 첨가되어 있고, 이들의 몰비는, 3.5:1이다. 또한, 코어에 형성되는 장주기 그레이팅의 그레이팅 주기(피치)는 410nm, 손실 피크 파장(손실의 중심파장은1528nm 이다. 이 샘플(4)에 있어서의 장주기 그레이팅의 온도 의존성은 +O.021nm/℃ 이었다(도 12 참조).
샘플(5)은 외경 2.8μm의 제 1 코어 영역과, 외경 28μm 의 제 2 클래드 영역과, 외경 125μm의 클래드 영역으로 이루어지는 석영계 광파이버이다. 또한, 상기 샘플(5)의 제 1 코어 영역에는, GeO2와 B2O3이 함께 첨가되어 있고, 이들의 몰비는 3.5:1 이다. 또한, 제 2 코어 영역은 순 실리카이고, 클래드 영역에는 불소가 첨가되어 있다. 제 1 코어 영역에 형성되는 장주기 그레이팅의 그레이팅 주기(피치)는 370nm, 손실 피크 파장(손실의 중심 파장)은 1540nm 이다. 이 샘플(5)에 있어서의 장주기 그레이팅의 온도 의존성은, +O.010nm/℃이었다(도 12 참조).
샘플(6)도 외경 2.8μm의 제 1 코어 영역과, 외경 28μm의 제 2 클래드 영역과, 외경 125μm의 클래드 영역으로 이루어지는 석영계 광파이버이다. 또한, 상기 샘플(5)의 제 1 코어 영역에 함께 첨가된 GeO2와 B203의 몰비는 3:1이다. 또한, 제 2 코어 영역은 순 실리카이고, 클래드 영역에는 불소가 첨가되어 있다. 제 1 코어 영역에 형성되는 장주기 그레이팅의 그레이팅 주기(피치)는 370nm, 손실 피크 파장(손실의 중심 파장)은 1537nm이다. 이 샘플(6)에 있어서의 장주기 그레이팅의 온도 의존성은 +0.002nm/℃이었다(도 12 참조).
샘플(7)도 상술한 샘플(5, 6)과 마찬가지로, 외경 2.8μm의 제 1 코어 영역과, 외경 28μm의 제 2 클래드 영역과, 외경 125μm의 클래드 영역으로 이루어지는 석영계광파이버이다. 또한, 상기 샘플(7)의 제 1 코어 영역에 함께 첨가된 GeO2와B203의 몰비는, 1:2 이다. 또한, 제 2 코어 영역은 순 실리카이고, 클래드 영역에는 불소가 첨가되어 있다. 제 1 코어 영역에 형성되는 장주기 그레이팅의 그레이팅 주기(피치)는 370nm, 손실 피크 파장(손실의 중심파장)은 1541nm 이다. 이 샘플(7)에 있어서의 장주기 그레이팅의 온도 의존성은, -0.132nm/℃이었다(도 12 참조).
샘플(4)과 샘플(5)을 비교하면, 동일한 불순물의 동일 정도 코어에 첨가된 경우이더라도, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자와 같은 굴절률 프로파일(150, 250)을 실현하는 구조를 구비한 광파이버쪽이, 보다 장주기 그레이팅의 온도 의존성을 저감할 수 있음을 알 수 있다. 더욱이, 샘플(6)과 같이 첨가되는 GeO2에 대하여 B203의 몰비를 크게 하는 것에 의해, 더욱 장주기 그레이팅의 온도 의존성을 저감시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자는 종래보다도 더욱 장주기 그레이팅의 온도 의존성을 저감시키기 때문에, 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률(Neff01)의 온도 의존성을 dNeff01/dT 로 하고, 상기 LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률(Neff0m)의 온도 의존성을 dNeff0m/dT(m≥2), 상기 장주기 그레이팅의 그레이팅 주기를 A 라고 할 때,
을 만족하는 m이 적어도 1개 존재하도록 설계되는 것이 바람직하다.
반대로, 샘플(7)에서는 다른 샘플(5, 6)보다도 GeO2에 대한 B2O3의 몰비가 더욱 크게 설정되어 있다. 이와 같이 B 원소를 과잉하게 첨가하는 것으로, dλ/dT를 크게 설정할 수 있고(장주기 그레이팅의 온도 의존성을 극히 크게 할 수 있다), 장주기 그레이팅에 있어서의 손실 피크 파장의 온도 액티브 제어에 적합한 광파이버 그레이팅 소자가 얻어진다. 또한, 이와 같이 손실 피크 파장의 온도 의존성을 적극적으로 이용하기 위해서는, 본 발명에 따른 광파이버 그레이팅 소자는 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률(Neff01)의 온도 의존성을 dNeff01/dT로 하고, 상기 LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률(Neff0m)의 온도 의존성을 dNeff0m/dT(m≥2), 상기 그레이팅의 그레이팅 주기를 A라고 할 때,
를 만족하는 m이 적어도 1개 존재하도록 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 이 실시예에서는 Ce02와 함께 제 1 코어 영역에 B203가 첨가되지만, P 원소 또는 P 원소를 포함하는 화합물을 첨가하여도 같은 효과가 얻어진다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 장주기 그레이팅이 설치되는 멀티모드 광파이버는, 고차 LP0m 모드광이 전파하는 영역의 외주에 더욱 굴절률이 낮은 영역이 설치된 구조를 구비하고 있기 때문에, 해당 멀티모드 광파이버가 수지층 등으로 피복된 경우이여도 양호한 결합 특성 및 차단 특성을 갖는 광파이버 그레이팅 소자 등이 얻어진다.

Claims (11)

  1. 사용 파장 대역으로부터 장파장측으로 LP02 모드광의 컷오프 파장을 갖는 동시에, 소정축에 따라서 연장된 굴절률n1의 제 1 코어 영역과, 상기 제 1 코어 영역의 외주에 설치되고 상기 제 1 코어 영역보다도 낮은 굴절률n2을 갖는 제 2 코어 영역과, 상기 제 2 코어 영역의 외주에 설치되고 상기 제 2 코어 영역보다도 낮은 굴절률n3을 갖는 클래드 영역을 갖는 멀티모드 광파이버와,
    상기 제 1 코어 영역의 소정 영역 내에 설치되고 상기 사용 파장 대역 내의 소정 파장의 기저 LP01 모드광을 LP0m(m≥2) 모드광에 선택적으로 결합시키는 그레이팅을 구비하며,
    기저 LP01 모드광의 실효 굴절률을 Neff01 로 하고, LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률을 Neff0m 으로 할 때,
    n1＞Neff01＞n2＞Neff0m＞n3
    인 관계식을 만족하는 광파이버 그레이팅 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티모드 광파이버는 상기 제 1 코어 영역에만 GeO2가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광파이버 그레이팅 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티모드 광파이버는 적어도 상기 그레이팅이 형성되어 있는 상기 제 1 코어 영역의 소정 부분이 수지에 의해서 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 광파이버 그레이팅 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용 파장 대역은 1.2μm 이상 1.7μm 이하의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 광파이버 그레이팅 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티모드 광파이버는 상기 사용 파장 대역에서 정규화 주파수가 4 이상 12 이하인 것을 특징으로 하는 광파이버 그레이팅 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률(Neff01)의 온도 의존성을 dNeff01/dT로 하고, 상기 LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률(Neff0m)의 온도 의존성을 dNeff0m/dT(m≥2), 상기 그레이팅의 그레이팅 주기를 A 라고 할 때,
    를 만족하는 m 이 적어도 1 개 존재하는 것을 특징으로 하는 광파이버 그레이팅 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 코어 영역은 Ge 원소, P 원소 및 B 원소의 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광파이버 그레이팅 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기저 LP01 모드광의 실효 굴절률(Neff01)의 온도 의존성을 dNeff01/dT라고 하고, 상기 LP0m(m≥2) 모드광의 실효 굴절률(Neff0m)의 온도 의존성을 d Neff0m/dT(m≥2), 상기 그레이팅의 그레이팅 주기를 A 라고 할 때,
    를 만족하는 m 이 적어도 1 개 존재하는 것을 특징으로 하는 광파이버 그레이팅 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 코어 영역은 Ge 원소, P 원소 및 B 원소의 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광파이버 그레이팅 소자.
  10. 청구항 1 기재의 광파이버 그레이팅 소자와,
    상기 광파이버 그레이팅 소자의 적어도 일단에 광학적으로 접속되는 일단을갖는 동시에, 사용 파장 대역으로부터 단파장측으로 LP02 모드광의 컷오프 파장을 갖는 싱글 모드 광파이버를 구비한 광파이버 필터.
  11. 사용 파장 대역으로부터 장파장측으로 LP02 모드광의 컷오프 파장을 갖는 동시에, 소정축에 따라 연장되고 소정량의 GeO2가 첨가된 제 1 코어 영역과, 상기 제 1 코어 영역의 외주에 설치되고 상기 제 1 코어 영역보다도 낮은 굴절률을 갖는 제 2 코어 영역과, 상기 제 2 코어 영역의 외주가 설치되고 상기 제 2 코어 영역보다도 낮은 굴절률을 갖는 클래드 영역을 구비한 멀티모드 광파이버를 제공하고,
    상기 멀티모드 광파이버의 외주면을 자외선 투과형 수지로 피복하며,
    상기 멀티모드 광파이버를 피복하고 있는 상기 자외선 투과형 수지에 대하여 자외선을 조사하는 것에 의해, 상기 소정축에 따른 주기적인 굴절률 변화를 상기 제 1 코어 영역 내에 생기게 하는, 청구항 3 기재의 광파이버 그레이팅 소자의 제조방법.
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