KR100405096B1 - 실제적으로 더 큰 횡단 면적의 광학 소자에 융착 접속된 광섬유를 이용하는 시준기의 제조 - Google Patents

실제적으로 더 큰 횡단 면적의 광학 소자에 융착 접속된 광섬유를 이용하는 시준기의 제조 Download PDF

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Abstract

섬유 시준기(110,210)가 제공되는데, 이는 적어도 두 개의 광학 구성 요소를 포함하되, 광학 구성 요소 중 하나(예컨대, 시준 렌즈 또는 평면-평면 펠릿과 같은 광학 소자)(14)는 다른 광학 소자(예컨대, 적어도 하나의 광섬유)(12)의 표면보다 비교적 더 큰 횡단 면적의 표면(14a)을 가진다. 광학 구성 요소(12,14)는 레이저를 이용하여, 융착 접속에 의해서 서로 결합된다. 광섬유(12)가 융착 접속되는 광학 소자(14)의 표면(14a)에서 최소한 그 부분에 대하여 또는 광섬유의 팁에 대하여 굴절률의 그레디언트(28,28')가 제공된다. 그레디언트(28,28')는 융착 접속 이전에 또는 융착 접속 동안 형성된다. 후면반사가 최소화되고, 지시 정도가 개선되며, 파워 처리 능력이 증가된다.

Description

실제적으로 더 큰 횡단 면적의 광학 소자에 융착 접속된 광섬유를 이용하는 시준기의 제조{FABRICATION OF COLLIMATORS EMPLOYING OPTICAL FIBERS FUSION-SPLICED TO OPTICAL ELEMENTS OF SUBSTANTIALLY LARGER CROSS-SECTIONAL AREAS}
섬유 시준기는 광전자 공학에서 광범위하게 이용되고 있으며, 특히 광섬유로부터(에 대하여) 시준 렌즈(collimating lens)로(로부터)의 광선을 커플링(coupling)하는데 이용되고 있다. 섬유 시준기는 아이솔레이터(isolator), 기계적 스위치, 커플러(coupler), 순환 장치(circulator), 광학 스위치, 및 파장 분할 멀티플렉서 등과 같은 원거리 통신 제품의 기본 소자이다. 그러한 섬유 시준기는 광섬유를 광학 소자에 결합함으로써 제조된다.
하나의 광섬유를 다른 광섬유에 접속시키거나 또는 하나의 광섬유를 광학 도파관에 접속시키는 것이 알려져 있는데, 그 사이즈가 비슷해야 하며 광학 구성 요소를 서로 융착 접속시키는데 후면반사(localized heating)이 이용될 수 있다. 광섬유를 훨씬 더 큰 광학 소자에 접속시키는 것은 보다 어려운 작업이다. 예컨대, 1988년 4월 12일, K.J.Warbrick에게 허여된 미국 특허 제 4,737,006호, "Optical Fiber Termination Including Pure Silica Lens And Method Of Making Same"은 도핑되지 않은 (순수) 실리카 로드(silica rod)를 단일 모드 섬유에 융착 접속하여 시준기(collimator)를 제조하는 방법(전기 아크(electrical arc)를 이용함)을 개시하고 있다. 그러나, 이는 극히 복잡한 방법이고 응용이 제한적이다.
광섬유를 더 큰 광학 소자에 부착하기 위하여 이용되는 대부분의 처리는 (1) 접착제로 섬유 표면을 광학 소자에 직접 본딩(bonding)하는 방법 또는 (2) 주변 조건의 어떠한 큰 변화에 대하여도 공기 이격형(air-spaced) 섬유와 광학 소자의 안정적 배치를 제공하는 복잡한 기계적 하우징(housing)을 설계하는(engineering) 방법을 포함한다.
시간의 경과에 따라 그 접착제 품질이 저하될 기회가 늘어나기 때문에, 이처럼 장치의 광행로(optical path)에 접착제를 이용하는 방법은 바람직하지 않다. 한편, 복잡한 기계적 하우징을 이용함으로써 섬유를 광학 소자로부터 고정된 거리만큼 이격시키는 방법은 장치를 통과하는 광 에너지의 손실을 최소화하도록 공기/글래스 인터페이스(air-glass interface) 전체에 반사방지(anti-reflection) 코팅을 필요로 한다. 공기/글래스 인터페이스의 존재는 또한 광섬유에 대한 후면반사(back-reflected) 광선의 원인이 된다. 이러한 현상(후면반사라고 알려져 있음)은 많은 통신 네트워크에서 잡음의 원인이 되며, 그러한 통신 네트워크의 송신 대역폭을 크게 제한한다.
본 출원은 2000년 3월 7일에 허여된 미국 특허 제 6,033,515호에 관련된다. 이 특허는 레이저 가열을 이용하여 상이한 사이즈의 두 개의 광학 구성 요소를 서로 융착 접속, 예컨대, 광섬유를 훨씬 더 큰(적어도 2×직경) 광학 소자에 융착 접속하기 위한 간단한 프로세스를 제공한다.
광학 소자에 대한 광섬유의 버트 엔드 커플링(butt-end coupling)이 단순성 측면에서 바람직하지만, 사실, 종래 기술에서는 후면반사를 줄이거나 최소화하기 위하여 광섬유를 경사지게 절단(angle-cleaving)하고 광학 소자를 경사지게 연마(angle-polishing)하도록 요구한다. 즉, 광섬유 및 광학 소자는 모두 광축(optical axis)(광섬유에 나란함)에 수직하지 않은 각도로 커플링되도록 처리된다. 단순한 버트 엔드 커플링으로부터 야기되는 후면반사는 광출력 및 효율을 줄인다. 광통신 시스템에서, 후면반사는 또한 BER(비트 에러율) 및 SNR(신호 대 잡음비)에 대하여 유해한 영향을 미친다. 그 제어되지 않는 생성 및 전파에 기인하여, 섬유에서 후면반사 되는 파워는, 검출되는 경우, 과잉 잡음(excess noise)으로 간주된다.
종래 기술에서는, 경사지게 절단된 섬유(angle cleaved fiber) 또는 경사지게 연마된 섬유(polished fiber)를 시준 렌즈의 경사지게 연마된 표면 근처에 배치하여 섬유 시준기의 탁월한 시준 및 탁월한 성능 특성을 가져왔다. 그러나, 시준기를 조립(assembling)하는 이러한 종래의 기법은 노동 집약적인 활성 정렬 기법(labor intensive active alignment techniques)을 필요로 한다. 정렬 기법은최종 조립동안 세 개의 선형축(linear axes) 및 세 개의 회전축(rotational axes)에 따라서 렌즈에 대한 섬유의 위치를 조작하는 것을 포함한다. 시준기가 효과적으로 섬유와 렌즈를 단일 피스(piece)로 만들도록 구성될 수 있다면, 정렬은 융착 처리동안 두 개의 선형축 및 두 개의 회전축에 대한 정렬만으로 축소되고 최종 조립동안의 정렬이 필요하지 않게 되어, 비용이 크게 줄어든다.
시준기 조립에 있어서 최소화되어야 하는 주요 성능 파라미터는 섬유 아래로의 광선 후면반사이다. 동일한 굴절율의 렌즈에 대하여 섬유를 버트 커플링(butt-coupling) 또는 융착 접속하면, 명백히 후면반사를 야기하는 인터페이스가 없어진다. 빔은 렌즈에서 분산되어 그 렌즈를 빠져나갈 때까지 굴절률 브레이크 표면(index break surface)을 만나지 않는다. 그 때까지, 빔이 너무 확산되어 섬유 코어로 복귀할 수 있는 광선의 양이 극히 작다.
본 출원의 근원이 되는 출원에서 개시되고 청구된 레이저 융착 접속 방법은 -57dB의 후면반사를 제공한다. 이는 일부의 응용에서 수용 가능할 수 있다. 그러나, 기타 응용에서는 후면반사가 더욱 축소되는 것이 바람직하다.
발명의 개요
본 발명에 따르면, 섬유 시준기가 제공되는데, 이는 후면반사를 축소하고, 지시 정도(pointing accuracy)를 개선하며, 파워 처리 특성(power handling characteristics)을 개선한다. 그러한 섬유 시준기는 시준기 렌즈와 같은 광학 소자에 융착 접속된 적어도 하나의 광섬유를 포함한다. 광학 소자는 융착 접속될 광섬유의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 가지는 광물질로 구성된다. 상업적 이유에서, 순수 융착 실리카 글래스가 선호된다. 또한, 섬유 시준기는 차후에 별도의 시준기 렌즈와 함께 조합되는 평면-평면 펠릿(plano-plano "pellet")과 같은, 시준기 렌즈가 아닌 다른 광학 소자에 융착 접속된 적어도 하나의 광섬유를 포함할 수 있다. 이러한 후자의 구성은 특히 긴 광행로 길이를 가지며 크게 시준된 빔 직경에 관련된 시준기를 생성하는데 유용하다. 광 펠릿을 이용하면 긴 초점 길이 시준기에서 요구되는 렌즈 두께를 줄이는 한편, 후면반사가 축소되고 파워 처리가 개선되는 등 많은 이점이 있다.
레이저 융착 접속 처리에 의하여 생성된 접속은 전형적으로 -57dB의 후면반사를 갖는다. 이러한 약간의 잔여 후면반사는 섬유 코어와 순수 융착 실리카 사이의 작은 굴절률 차이에 기인한다. 접합 연결부(splice junction)에 얇은 축 그레디언트 층(a thin axial gradient layer)을 생성함으로써 더 낮은 후면반사가 달성될 수 있다. 융착 접속 처리 파라미터의 간단한 조정으로 섬유 코어에 도펀트(dapant)를 확산시켜 그러한 축 그레디언트 생성을 돕기에 충분하다. 그 결과 후면반사는 -65dB보다 더 적어질 수 있고 이는 접속의 품질에 대하여 어떠한 유해한 영향도 미치지 않는다. 융착될 광학 소자 상에 얇은 표면 층을 사전 도핑함으로써 유사한 결과를 얻을 수 있다.
에폭시(epoxies) 또는 특별한 종료(termination) 기법을 이용하지 않고 섬유를 다른 광학 구성 요소에 직접적으로 부착함으로써, 비용은 절감되고, 환경 안정성이 개선되고, 정렬 정도(alignment accuracy)가 강화되며, 지시 정도가 개선되고, 파워 처리가 크게 증가된다.
본 발명의 기타 목적, 특성, 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 이해함으로써 명백해질 것이며, 전체 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
본 발명은 일반적으로 크게 다른 횡단 면적을 가지는 광학 구성 요소, 예컨대 렌즈, 필터, 격자(grating), 프리즘 등의 광학 소자에 결합된 광섬유와 같은 광학 구성 요소와 관련되는 광전자 공학에 관한 것이며, 보다 구체적으로 섬유 시준기(fiber collimator)에 관한 것이다.
본 명세서에서 참조되는 도면은 특별히 언급되는 경우가 아니면 축척으로 도시되는 것이 아님을 알아야 한다.
도 1a는 종래 기술의 섬유 시준기의 측입면도(a side elevation view),
도 1b는 본 발명의 섬유 시준기의 일실시예의 측입면도,
도 2는 하나의 광섬유를 광학 소자에 융착 접속하는데 이용되는 장치를 개략적으로 도시하는 측입면도,
도 3은 광섬유가 통과되는 미러(mirror)의 표면상에 나타나는 환상(annular) 레이저 빔을 도시하는 도면,
도 4는 두 개의 광섬유를 광학 소자에 융착 접속하는 것을 도시하는, 도 2에 유사한 측입면도,
도 5는 후면반사(dB 단위) 및 굴절률의 좌표 상에서, 섬유/순수 실리카 광학 인터페이스(a fiber/pure silica optical interface)로부터 계산된 후면반사의 도표(plot)를 도시하는 도면,
도 6a는 광학 소자의 결합 표면에 그레디언트 층을 가지는 광학 소자로 융착 접속된 광섬유를 도시하는 개략적 측입면도,
도 6b는 굴절률 및 거리의 좌표에서, 광섬유를 따라서 그레디언트 층을 통하여 광학 소자까지의 거리의 함수로서 굴절률의 도표(plot)를 도시하는 도면,
도 7은 후면반사(dB 단위) 및 그레디언트 층 두께의 좌표에서, 융착 접속의 후면반사에 대한 축 그레디언트 층의 영향을 나타내는 도표를 도시하는 도면,
도 8은 후면반사(dB 단위) 및 파워(관련 유닛에서)의 좌표에서, 얼마나 얇은 그레디언트 층이 생성될 수 있고 차후에 융착 접속에 이용되는 레이저 파워를 조절함으로써 후면반사가 개선될 수 있는지를 보여주는 도표를 도시하는 도면,
도 9는 시준기 렌즈에 융착 접속된 섬유를 포함하는 본 발명의 시준기 단면도,
도 10은 별도의 시준기 렌즈와 함께 조합된 평면-평면 광학 소자("펠릿(pellet)")에 융착 접속된 섬유를 포함하는 본 발명의 시준기 단면도.
여기서, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상세한 참조가 이루어지며, 현재 본 발명을 실시하는데 있어서 발명자에 의하여 숙고되는 최선의 모드를 보여주고 있다. 또한 이와 다른 실시예가 응용 가능하게 간단히 개시되고 있다.
종래 기술의 시준기(10)가 도 1a에 도시되고 있으며, 이는 렌즈(14)에 광학적으로 연결된 광섬유(12)를 포함하고 있다. 광섬유(12)는 글래스 또는 세라믹 이음관(ceramic ferrule)(16)에 의하여 위치가 유지된다. 광섬유(12)와 함께렌즈(14) 및 이음관(16)은 탑재 슬리브(mounting sleeve)(18)에서 보호된다. 변형 제거 엘라스토머(strain-relief elastomer)(20)는 광섬유(12)가 나타나는 곳에서부터 탑재 슬리브(18)의 말단에 제공된다. 렌즈(14) 및 이음관(16)이 각각 섬유(12)에 대하여 수직이 아닌 각도의 표면(14a,16a)에 제공된다. 섬유(12)는 에어 갭(22)에 의하여 렌즈(14)로부터 이격된다.
비교해서, 본 발명의 섬유 시준기(110)가 도 1b에 도시되고 있다. 본질적으로 어떠한 에어 갭도 없으며, 섬유(12)는 이하에서 개시되는 융착 처리에 의하여 렌즈(14)로 직접 커플링된다. 또한, 섬유(14)에 대한 렌즈 표면(14a)은 각도를 이루지 않으며, 렌즈 표면은 섬유에 대하여 수직이다. 그 결과로서, 후면반사가 크게 줄어들고, 지시 정도가 개선된다. 또한, 본 명세서에 개시된 처리의 결과로서, 파워 처리 능력이 크게 강화된다. 후면반사의 축소, 지시 정도의 개선 및 파워 처리 능력의 증가가 모두 이하에서 상세하게 논의된다.
국소 가열(localized heat)이 표면 연마(polishing), 섬유 드로잉(drawing), 및 융착 접속을 포함하는 다양한 글래스 처리 동작에서 효율적으로 이용되어 왔다. 이용되는 열원은 종종 단순한 저항 히터(resistance heater) 또는 제어 아크(controlled arc)이다. 열원으로서 레이저를 이용하면 앞서 언급된 처리가 모두 수행될 수 있다.
그러나, 본 발명 이전에는, 실제적으로 상이한 횡단 면적의 광학 구성 요소를 접속하는 방법이 본 발명자가 아는 한 개발되지 않았다. 본 발명은 이음새없이(seamlessly) 융착된 모놀리스 피스(monolithic pieces)를 형성하는 방법을 제시한다.
일실시예에서는, 제 1 횡단 면적을 가지는 하나 이상의 광학 구성 요소를 실제적으로 더 큰 횡단 면적의 광학 구성 요소에 융착시키기 위하여, 더 큰 표면이 먼저 레이저에 의하여 예열된다(pre-heated). 예열 온도는 더 작은 구성 요소를 융착시키기 원하는 위치에서 더 큰 구성 요소의 표면을 연마하고 용융시키기에 충분해야 한다. 그 사이즈에 따라서, 전체 표면이 가열될 수도 있고 또는 국소적으로 가열될 수도 있다. 그런 다음 제 1 표면이 사전 예열된 표면과 접촉하게 되고, 일단 열 교환이 이루어지면(열의 전도에 의하여), 모든 구성 요소가 동시에 가열된다. 모든 표면이 크다면(국소 가열 지역에 비하여 크다면), 모두가 예열을 필요로 한다. 일단 표면이 적절하게 상승된 온도에 이르면, 융착이 일어난다. 융착 온도는 두 개의 소자 사이에 열 에너지의 원활한 흐름을 보장하도록 연화점보다 충분히 높다.
제 2 실시예에서, 융착은 모든 광학 구성 요소를 접촉함으로 시작하고 구성 요소는 융착 접속동안 결코 분리되지 않는다.
제 3 실시예에서, 모든 광학 구성 요소를 접촉하고, 그런 다음 정렬한 후 후퇴(pull back)시키고 나서, 제 1 실시예와 같이 융착 접속된다.
인터페이스의 품질은 시스템을 통한 광선의 후면반사를 측정하고 기계적 테스트를 함으로써 알 수 있다.
이러한 기법을 이용하면 사이즈 부정합(size mismatch), 부정합의 부존재(the absence of a mismatch), 또는 단면 기하 구조(cross-sectionalgeometry)에 관하여 어떠한 실제적인 제한도 없다.
임의의 다수 피스의 광학 소자(무기 글래스(inorganic glass)를 포함하거나 또는 유기 폴리머(organic polymer)를 포함하거나)도 본 발명의 방법을 이용하여 융착될 수 있다. 가장 일반적인 응용은 단일 모드 섬유를 광전자 장치 또는 원거리 통신 장치에 융착하는 것일 것이다. 본 명세서의 원리에 따르는 융착 접속은 실제로 후면반사 및 그 관련 손실을 없앤다. 접속은 몇 초 이하의 시간을 요구하므로 매우 비용 효율적이며, 그 처리가 완전 자동화될 수 있다. 접속은 많은 경우에 활성 정렬에 대한 요구를 없앤다. 접속은 또한 광행로에서, 오염 물질을 제거하고 접착제 및 기타 유기 물질과 같은 외부 물질에 대한 필요성을 배제한다.
실리카(silica), 규산염(silicate), 붕규산염(borosilicate), 붕산염(borate), 인산염(phosphate), 알루미네이트(aluminate), 칼코겐(chalcogenide) 및 캘코 할로겐(calco-halide), 할로겐(halide)등과 같은 광학 무기 글래스 및 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐 아세테이트(vinyl acetate), 아크릴로니트릴(acrylonitril), 스티렌(styrene)등과 같은 광학 유기 폴리머는 본 발명의 실시에 유익하게 이용될 수 있으나, 본 발명이 열거된 물질의 특정 클래스로 제한되는 것은 아니다.
가열이 신속하고 국소적이기 때문에, 구성 요소는 융착 이전에 융착될 표면이 아닌 다른 표면상에 반사방지 코팅될 수 있다. 본 발명의 처리는 또한 코팅되는 표면의 수를 최소화한다. 전형적 조립 기법에서 코팅될 표면의 최소 수는 각 광섬유가 융착되는 표면과 렌즈의 입출력 표면 양자가 된다. 그러나, 다수의 표면(각광섬유 표면 및 렌즈 입력면)이 모놀리스 융착 피스로 결합되기 때문에, 본 발명의 처리는 하나 정도로 소수의 표면이 되게 한다. 어떠한 반사방지 코팅도 완벽하지 않기 때문에 모든 표면은 (심지어 코팅된 경우에도) 시스템에 대하여 손실을 가져온다. 그러므로, 코팅될 표면의 수를 줄이는 것은 시스템의 손실을 줄이는 것이다. 또한, 통상적 시준기에서는, 섬유의 팁(tip)에 이용된 코팅이 이들 소자의 파워 처리 능력을 크게 제한한다. 본 발명의 방법은 섬유 팁에서의 코팅을 제거하며, 사실, 섬유/공기 접합 모두를 함께 제거한다. 본 방법에 따라서 제조된 시준기는 다른 유형의 시준기 보다 훨씬 더 큰 파워(>10×)를 처리할 수 있다.
지시 정도(pointing accuracy) 및 빔 품질은 융착 이전에 모니터될 수 있고 융착으로 로크(lock)될 수 있다. 통상적(종래 기술의) 시준기는 본질적인 지시 에러(시준기에서 나오는 빔은 시준기의 축과 대략 0.5°의 각을 이루는 선을 따라서 전파됨)를 가진다. 이러한 에러는 경사지게 연마된 표면 및 관련 공기 갭으로부터 발생한다. 본 발명에 있어서, 하나의 섬유만으로 구성된 경우, 시준기는 그 섬유에 의하여 정의된 축에 관하여 대칭을 이루고, 그 지시 에러는 0.1°보다 더 적은 값으로 축소될 수 있다. 광학 정렬이 더 빠르고 더 단순해지기 때문에 장치에서 이들 시준기를 차후에 이용하는데 그러한 적은 지시 에러가 크게 유리하다.
경사진 표면 굴절률 브레이크(angled surface index break)를 없애는 것은 제조될 구성 요소에서 분광 의존 손실(polarization dependent losses : PDL) 및 분광 모드 산란(polarization mode dispersion : PMD)과 같은 분광 효과를 줄인다. 종래의 방법은 후면반사를 제어하기 위하여 광축에 대하여 경사진 광학 표면을 이용하고, 후면반사 물질 고유 특성에 더하여 PDL 및 PMD를 유발한다.
본 발명의 또 다른 이점은 시스템의 열적 안정성이다. 부품이 이음새없이 모놀리스 피스로 융착되기 때문에, 광전자 장치 및 원거리 통신 장치에서 종래 기술의 방법에서와 같이 미세한 이격 공차(sub-micron spacing tolerence)를 유지하기 위하여 하우징에 의존하지 않는다.
본 발명은 광전자/원거리 통신 산업에 있어서 매우 높은 품질과 낮은 비용의 제품을 가능하게 한다. 본 기술에 의하지 않고, 원거리 통신 산업에서 이미 알려져 있는 종래 기술의 기법을 이용하여야 한다면, 이는 매우 비싸고, 본 기술에 의한 경우와 같이 잘 수행될 수 없으며, 그리고/또는 광행로에 바람직하지 않은 물질을 이용하도록 한다.
하나 이상의 작은 횡단 면적 광섬유를 더 큰 횡단 면적 광학 소자에 접속하는 본 발명의 방법은,
1. 축을 따라서 광섬유와 광학 소자를 정렬하는 단계와,
2. 레이저빔을 형성하도록 지향성(directional) 레이저 열원(적외부(infrared) 레이저 등)을 턴온하는 단계와,
3. 레이저빔이 섬유와 동일 직선 상에 있도록 방향 설정하는 단계(이러한 방식에서, 반사 계수는 접지 입사(grazing incidence)에서 매우 높기 때문에 대부분의 레이저 광선은 작은 섬유에 의하여 흡수되지 않고 그 표면으로부터 반사되어 나옴)와,
4. 레이저빔이 수직이나 또는 거의 수직으로 입사하여 더 큰 횡단 면적 광학 소자를 때려서(strike) 레이저의 흡수가 더 큰 표면에서 훨씬 더 효율적이 되도록 보장하는 단계와.
5. 레이저 파워 레벨을 소자 표면상의 연화점과 같거나 그 보다 더 높은 온도에 이르도록 조절하여 융착 접속을 달성(동시에 연마와 오염물질 제거를 달성함)하는 단계와,
6. 레이저를 턴오프시키는 단계를 포함한다.
제 1 실시예에서, 두 개의 소자(예컨대, 광섬유 및 광학 소자)는 정렬되고 일정 간격(전형적으로 수 밀리미터)으로 분리되며, 레이저빔이 턴온되어 연화 영역을 형성하고, 광섬유의 표면은 광학 소자의 연화 영역과 접촉하게 되는데 그 접촉은 광섬유의 표면으로 열 전송을 일으켜서 이를 연화시키고, 후면반사 융착 접속을 달성한다.
제 2 실시예에서, 두 개의 소자(예컨대, 광섬유 및 광학 소자)가 먼저 서로 접촉하게 되고 그런 다음 레이저빔이 턴온되어 두 개의 소자가 접촉하고 있는 곳에 연화 영역을 형성하여 융착 접속을 달성한다.
제 3 실시예에서, 두 개의 소자(예컨대, 광섬유 및 광학 소자)가 정렬되고, 그런 다음 접촉되고, 일정 간격(전형적으로 수 밀리미터)으로 분리되고, 레이저빔이 턴온되어 연화 영역을 형성하고, 광섬유의 표면이 광학 소자의 연화 영역과 접촉되는데 그 접촉으로 광섬유의 표면에 대하여 열 전송을 일으켜서 이를 연화시켜, 후면반사 융착 접속을 달성한다.
실리카 기반형 글래스는 매우 큰 흡수 계수를 가지기 때문에, 융착 접속에는실리카, 이산화탄소 레이저와 같은 전형적 무기 글래스(9 내지 11 ㎛의 범위에서 동작함)가 바람직하다. 기타 광학 물질은 전형적으로 적외부에서 크게 흡수되므로, 따라서 IR 스펙트럼의 다른 영역에서 동작하는 레이저는 그러한 기타 광학 물질과 함께 이용될 수 있다.
레이저빔은 광섬유와 동일 직선 상에 있고 광섬유를 스쳐 지난다. 이는 여러 가지 방법으로 달성될 수 있다. 예컨대, 중앙 홀을 가지는 45도 미러가 레이저빔이 섬유의 축과 동일 직선 상에 있도록 방향 재설정하는데 이용된다(섬유는 홀을 통과하며 서로 나란함). 섬유의 축을 따라서 레이저빔을 방향 설정하는 또 다른 방법이 역시 이용될 수 있는 바, 그러한 방법은 당업자에게 이미 잘 알려져 있다. 레이저빔 그 자체가 환형의 형상일 수 있다(그러나 반드시 그러해야 하는 것은 아니다). 이 마지막 요청은 주사 시스템, 특별한 광학 구성 요소(axicon), TEM01레이저 모드, 중앙 차단(central obstruction), 회절 광학 소자 등과 같은 다양한 기법으로 성취될 수 있다. 동일한 효과가 두 개 이상의 레이저빔(모두 광섬유와 동일직선 상에 있음)을 이용함으로써 달성될 수 있다.
융착 접속되는 광학 구성 요소는 바람직하게 유사한 열적 특성 및/또는 기계적 특성을 가져야 한다. 그러나, 비유사한 광학 소자도 본 발명의 원리를 이용하면 융착 접속될 수 있으므로, 반드시 그러해야 하는 것은 아니다. 그러한 경우에, 그 처리에 기인한 변형 가능성은 조건이 만족스럽지 않은 경우 접속을 깨뜨릴 수 있으므로, 이러한 점이 고려되어야 한다. 그러나, 그러한 고려는 당업자의 경험 범위 내에서 충분하고, 과도한 실험이 요구되지는 않는다.
도 2는 미러(26)상에 닿는 레이저빔(24)을 도시하고 있으며, 미러는 이를 통과하는 홀(26a)을 가진다. 하나의 광섬유(12)는 미러(26)에서의 홀(26a)을 통과하여, 광학 소자, 예컨대 렌즈(14)와 융착 접속된다. 도 2는 렌즈(14)에 대한 융착 접속 바로 전 상태에 있는 광섬유(12)를 도시하고 있다. 도 3은 섬유(12)를 따라서 단면 형태의 환상 레이저빔(24a)을 도시하고 있다. 광학 소자(14)는 렌즈, 필터, 격자, 프리즘, WDM 장치 또는 광섬유(12)를 보호하는데 요구되는 기타 광학 구성 요소일 수 있다. 도 4는 두 개의 광섬유(12a,12b)를 광학 소자(14)에 융착하는 것을 도시하는 유사한 도면이다. 본 명세서의 원리를 이용하면, 훨씬 더 많은 광섬유가 광학 소자(14)에 융착 접속될 수 있음이 명백하다.
본 명세서에 개시된 기술은 통상적 섬유 시준기, 확장 빔 시준기, WDM 제품, 및 글래스 또는 폴리머 부착 장소를 가지는 임의의 기타 장치에 대하여 적용될 수 있다. 실제적으로 비슷한 직경을 가지는 소자만을 융착할 수 있었던 제한이 더 이상 존재하지 않게 된다.
전술한 바와 같이, 시준기 조립에서 최소화되어야 할 주요 성능 파라미터는 섬유(12)로 다시 반사되는 광선의 후면반사이다. 섬유를 동일한 굴절률을 가지는 렌즈로 버트 커플링 또는 융착 접속함으로써, 후면반사를 일으키는 인터페이스가 없어진다. 섬유를 순수 실리카로 이루어진 광학 소자에 융착 접속하는데 있어서, 두 소자의 굴절률 차이는 매우 작아서 종종 무시해도 될 정도이다. 그러나, 섬유의 코어가 벌크(bulk) 물질보다 약간 더 높은 굴절률을 가지므로 이러한 차이가 정확히 0은 아니다. 사실, 굴절률의 이러한 차이는 섬유의 유도 특성(guiding properties)의 기본이다. 전형적 단일 모드 계단형 굴절률 섬유(single mode step index fiber)에 있어서 이 차이는 대략 0.36%(Corning?SMF-28TMCPC6 단일 모드 광섬유의 제품 정보 시트로부터)이며 인터페이스로부터 -57dB(= 10 log[반사 파워/입사 파워])의 후면반사를 야기할 것이다. 대부분의 응용에서, 이러한 적은 양의 후면반사 파워는 무시할 수 있을 정도이다. 그러나 일부의 경우에는 유해할 수 있다. 그러한 경우에, -65dB의 후면반사가 수용 가능한 성능으로 간주된다.
도 5는 섬유가 단일 모드 계단형 굴절률 광섬유라는 가정하에 광학 소자의 굴절률의 함수로서 융착 접속된 접합부로부터의 예상되는 후면반사를 도시하고 있다. 커브는 모든 유형의 섬유에 있어서 유사하다.
1.55㎛에서 융착된 실리카의 굴절률은 1.444이다. 약간 더 높은 굴절률을 가지는 물질을 이용하면 후면반사가 -57dB에서 -65dB로 낮아질 것이다. 그러나, 실리카는 그 열적 특성이 섬유의 특성과 잘 매치되기 때문에 여전히 최상의 물질이다. 더 나은 방법은 섬유(12)와 광학 소자(14) 사이에 중간층(28)을 생성하는 것일 수 있다. 그 중간층(28)의 굴절률은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 점진적으로 변화해야한다. 굴절률 함수의 정확한 프로파일은 그리 중요하지 않다. 증간층(28)은 광학 소자(14)의 표면(14a)에서 형성되며, 그 안으로 짧은 거리 D만큼 연장된다. 중간층(28)은 대신에 흐리게 도시되고 있으며 융착 접속된 섬유(12)에 직접적 근처에서 형성된 영역(28')을 포함한다.
그러한 그레디언트 층은 인터페이스의 후면반사를 줄인다. 두께 D의 선형 그레디언드에 있어서, 계산된 후면반사가 도 7에 도시되고 있다.
심지어 매우 얇은 그레디언트 층(< 2㎛)도 융착 접속의 후면반사를 크게 개선한다는 것을 도 7에서 알 수 있다. 굴절률 프로파일 및 두께는 결정적 파라미터가 아니기 때문에, 그레디언트 층(26)은 융착 접속 처리에 용이하게 통합될 수 있다. 유효하려면, 그레디언트 층은 그 두께가 적어도 0.2㎛는 될 필요가 있다. 그레디언트 층이 두꺼울수록, 결과가 더 나아진다. 그러나, 두께가 2㎛를 초과하면, 후면반사의 감소가 거의 늘어나지 않는다.
그레디언트 층(28)을 형성하는데 다양한 방법이 가능하다. 제 1 기법으로서 대부분을 차지하는 직접적 기법은 융착 접속 처리동안 섬유 코어 도펀트의 확산을 촉진하는 것이다. 단일 모드 계단형 굴절률 섬유(12)의 특정한 경우에, 섬유의 코어가 엷은 농도의 게르마늄(Ge)으로 도핑되어 굴절률을 증가시킨다. 융착 접속 처리 동안, 섬유의 팁에서 글래스의 얇은 층이 매우 높은 온도에 달하여 용융되어, Ge 도핑된 글래스가 펼쳐져서 Ge이 확산되도록 한다. 다양한 처리 파라미터(레이저 파워, 노출 시간, 결합 압력, 후속 가열(post-heating) 등)의 조합은 이러한 얇은 그레디언트 층(28)을 유도하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 도 8은 측정된 후면반사에 대한 레이저 파워의 영향을 도시하고 있다.
이와 같은 특정의 경우에, 융착 접속은 렌즈의 뒷표면에 접촉하여 섬유 팁을 배치하고 본 출원에서 개시되고 있는 형태로 레이저 파워를 인가함으로써 획득될 수 있다. 레이저 파워 스케일의 저단부에서, 충분한 열이 발생되어 표면 및/또는 섬유 팁을 용융시키고, 섬유와 렌즈의 뒷표면 사이에서 완전한 광학 접촉이 이루어지게 한다. 이는 대략 -57dB(섬유 코어와 융착 실리카의 굴절률 차이와 일치함)의 후면반사를 야기한다. 파워 레벨이 증가함에 따라서, 얇은 층의 접합부에서 섬유 코어의 게르마늄이 확산 또는 분리되는 지점이 나타난다. 이 층은 굴절률 그레디언트 층으로서 동작하며 후면반사를 -65dB 보다 낮은 값으로 줄인다.
융착 접속 이전에 광학 소자(14)의 표면(14a)상에 얇은 축 그레디언트 층(28)을 생성함으로써 전체적으로 동일한 결과가 획득될 수 있다. 이것은 섬유 코어의 굴절률을 증가시키는데 이용되는 도펀트이므로, 분명히 Ge을 확산시키는 방법이다. 한 가지 가능한 기법은 그 표면에 게르마늄 산화 용액을 증착시키고 CO2레이저를 이용하여 용융된 글래스의 얇은 표면 층 내에 Ge을 통합하는 것이다. 기타 무반사(in-diffusion), 이온 주입(ion-implantation) 또는 이온 이동(ion migration) 기법도 또한 가능하다.
그러므로, 그레디언트 층(28)은 광학 소자(14)의 표면(14a)의 적어도 일부분에서, 광섬유(12)와 직접적으로 연결되고 가능하게 그 직접적 주변에서 또는 전체 표면을 가로질러 형성되는 것임을 알 수 있다.
본 발명의 원리에 따라 마련된 섬유 시준기는 높은 파워 처리 능력을 가진다. 아무런 피해도 일으키지 않고 9 Watts를 초과하는 파워 레벨에 도달될 수 있다. 이는 도 1a에 도시된 것과 같은 종래 기술의 섬유 시준기의 파워보다 10 더 큰 수를 나타낸다.
종래의 방법을 이용하여 생성된 섬유 시준기는 전형적으로 1 watt보다 더 적은 연속 레이저 파워 처리량으로 제한된다. 대부분은 300miliwatt의 지정된 파워 처리 한계를 가진다. 종래 기술의 시준기의 결함 메카니즘(failure mechanism)은 전형적으로 반사방지 코팅형 섬유 부면(facet)상의 높은 레이저 강도에 의하여 유발된 현저한 피해이다. 단일 모드 광섬유의 매우 작은 중앙 유도 영역(전형적으로 직경 10 마이크로미터)에 기인하여, 1 watt 처리량 파워 레벨에서 매우 높은 강도 레벨(대략 1megawatt/cm2)이 도달된다. 이 강도 레벨은 종종 광섬유 표면에서 큰 결함을 유발한다는 점이 알려져 있다.
그러나, 순수 실리카 시준기 렌즈 또는 평면-평면 펠릿(plano-plano pellet)과 같은 광학 소자에 대하여 섬유를 융착함으로써, 섬유 부면이 효율적으로 제거된다. 공기/글래스 인터페이스는 부착된 광학 구성 요소의 출력면으로 이동되는데, 여기서 500 마이크로미터의 직경으로 확장된다. 1 watt 레이저 파워 처리량에서의 강도는 광학 소자의 출력면에서 500 watt/cm2에 지나지 않으며, 강도에 있어서 2500배의 감소를 나타낸다. 그러므로, 본 발명의 원리에 따라서 생성된 시준기의 파워 처리 능력은 종래 기술의 시준기 보다 여러 배 더 높다. 레이저 송신기, 고펌프 파워 섬유 증폭기(high pump power fiber amplifier), 섬유 레이저(fiber laser), 레이저 투사 디스플레이(laser projection display), 레이저 벨리코미터(laser velicometer), 의료용 레이저 방출 시스템(medical laser delivery system) 및 산업용 레이저 방출 시스템(industrial laser delivery system) 등의 영역에서 잠재적으로 이용될 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 섬유 시준기에 대한 두 가지 바람직한 실시예 각각에 대한 단면도이다. 도 9에서, 섬유 시준기(110)는 렌즈(14)에 융착 접속된 섬유(12)(양자는 모두 탑재 슬리브(18)에 포함됨)를 포함한다. 글래스 안정기 튜브(glass stabilizer tube)(30)는 섬유(12)를 지탱하고 엘라스토머(20)가 변형 제거(strain relief)를 제공한다. 예로서, 3 micron 두께의 Cu-Ni-Au 금속층의 경우, 탑재 슬리브(18)는 300개의 일련의 스테인리스 강철(stainless steel)을 포함한다. 이와 달리, 렌즈(14) 및 글래스 안정기 튜브(30)에 대하여 탑재 슬리브(18)의 위치에서 금속 코팅이 제공될 수 있다. 시준 빔의 전형적 직경은 대략 0.5 밀리미터이다.
도 10에서, 섬유 시준기(210)는 광학 소자(14)(여기서는 평면-평면 펠릿)에 융착 접속된 섬유(12)(양자 모두 탑재 슬리브(18)에 포함됨)를 포함한다. 탑재 슬리브(18)는 체임버(chamber)(34)를 포함하는 하우징(32)에서 보호된다. 탑재 슬리브(18)는 체임버(34)의 한쪽 말단으로 일정 거리만큼 내밀고 있다. 체임버(34)의 반대쪽 말단에는 별도의 시준기 렌즈(114)가 있다. 평면-평면 펠릿(14)은 평면-평면 입구 및 출구 표면을 가지는 글래스 로드(glass rod)를 포함한다. 섬유(12)로부터 나오는 빔(36)은 펠릿(14)에서 분산되는데, 이는 후면반사를 최소화하며, 그 펠릿이 빔을 시준하지는 않는다. 대신에, 분산 빔(36)은 별도의 시준 렌즈(114)에 의하여 시준된다. 이러한 구성은 대략 1 내지 80mm, 그리고 심지어 이보다 더 큰 정도에 이르기까지, 훨씬 더 큰 시준 빔을 허용한다. 그러한 큰 시준 빔은, 도 10에 도시된 구성에 의하지 않고서는, 통상적으로 더욱 더 많은 글래스를 요구한다. 그러므로, 도 10에 도시된 구성은 글래스 및 그 부수적 무게를 줄인다. 물론, 빔(36)은 별도의 시준기 렌즈(114) 상에 입사하여 광섬유(12)에 초점 모아진다.
본 방법은, 적어도 하나의 광섬유를 상대적으로 더 큰 횡단 면적을 가지는 광학 소자에 융착 접속하는 것을 이용하는 섬유 시준기의 제조에 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 광학 소자(optical element)(14) 및 그 표면(14a)에 융착 접속된(fusion-spliced) 적어도 하나의 광섬유(12)를 포함하는 섬유 시준기(a fiber collimator)(110,210)로서,
    상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)에 대하여 적어도 상기 적어도 하나의 광섬유(12)가 융착 접속될 부분에 굴절률에 있어 그레디언트를 갖는 축(axial) 그레디언트 층 또는 영역(28,28')이 제공되는
    섬유 시준기(110,210).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)에서 상기 축 그레디언트 층 또는 영역(28,28')은 적어도 0.2㎛이고 2㎛보다는 적은 두께를 가지는
    섬유 시준기(110,210).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자(14)는 상기 적어도 하나의 광섬유(12)에 대하여 수직(normal)인 상기 적어도 하나의 광섬유(12)가 부착되는 표면(14a)을 가지는 시준 렌즈이되, 상기 시준 렌즈 및 상기 적어도 하나의 광섬유(12)는 탑재 슬리브(mounting sleeve)(18)에서 보호되는
    섬유 시준기(110,210).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자(14)는 상기 적어도 하나의 광섬유(12)에 대하여 수직인 상기 적어도 하나의 광섬유(12)가 부착되는 표면(14a)을 가지는 평면-평면 펠릿(plano-plano pellet)이되, 상기 평면-평면 펠릿(14) 및 상기 적어도 하나의 광섬유(12)가 탑재 슬리브(18)에서 보호되고, 상기 탑재 슬리브(18)는 체임버(34)가 제공되는 하우징(housing)(32)에서 차례로 보호되며, 상기 탑재 슬리브(18)는 상기 체임버의 한쪽 말단에 배치되고 시준 렌즈(114)가 상기 체임버(34)의 반대쪽 말단에 배치되는
    섬유 시준기(110,210).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자(14)가 렌즈(lenses), 필터(filters), 격자(gratings), 프리즘(prisms), 및 파장 분할 멀티플렉서 장치(wavelength division multiplexer devices)로 구성된 그룹으로부터 선택되는
    섬유 시준기(110,210).
  6. 제 1 항의 상기 섬유 시준기(110,210)를 형성하도록 레이저빔으로 상기 광학 소자(14)에 대하여 적어도 하나의 상기 광섬유(12)를 융착 접속하는 방법이되, 상기 광학 소자(14)는 상기 적어도 하나의 광섬유(12)의 표면보다 비교적으로 더 큰 횡단 면적을 가지는 표면(14a)을 구비하는 방법으로서,
    (a) 상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)에 수직한, 공통 축(a common axis)을 따라서 상기 적어도 하나의 광섬유(12)를 정렬하는 단계와,
    (b) 지향성 레이저 열원(a directional laser heat source)을 턴온(turning on)하여 상기 레이저빔(24)을 형성하는 단계와,
    (c) 상기 레이저빔(24)이 상기 적어도 하나의 광섬유(12)와 동일 직선에 있도록(collinear) 방향 설정하는 단계와,
    (d) 상기 레이저빔(24)이 수직 또는 거의 수직으로 입사하여(at normal or near normal incidence) 상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)을 때려서(strike) 상기 레이저빔(24)의 흡수가 상기 표면(14a)상에서 훨씬 더 효율적이 되는 것을 보장하는 단계와,
    (e) 상기 레이저빔(24)의 상기 파워 레벨을 상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)의 상기 연화점(the softening temperature)과 같거나 그보다 더 높은 온도에 이르도록 조절하여 그 위에 연화 영역을 형성하고, 후면반사 상기 융착 접속을 달성하는 단계와,
    (f) 상기 융착 접속 이전에 또는 융착 접속동안, 상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)에 상기 축 그레디언트 층 또는 영역(28,28')를 형성하는 단계와,
    (g) 상기 레이저 열원을 턴오프(turning off)하는 단계
    를 포함하는 융착 접속 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 더 큰 횡단 면적은 상기 적어도 하나의 광섬유(12)의 횡단 면적보다 적어도 두 배는 더 큰
    융착 접속 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유(12) 및 상기 광학 소자(14)는 실리카 기반형 글래스(silica-based glasses)를 포함하고 상기 레이저는 약 9 내지 11㎛의 파장 영역에서 동작하는
    융착 접속 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 축 그레디언트 층 또는 영역(28,28')이 상기 융착 접속 이전에 형성되고, 상기 광섬유(12)가 클래딩(cladding)에 의하여 둘러싸인 코어를 포함하되 상기 코어는 적어도 하나의 도펀트로 도핑되고, 상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)이 상기 적어도 하나의 도펀트로 먼저 코팅되고 상기 적어도 하나의 도펀트가 상기 표면(14a)으로 확산되는
    융착 접속 방법.
  10. 제 1 항의 상기 섬유 시준기(110,210)에서 파워 처리 능력을 증가시키고 지시 정도(pointing accuracy)를 개선하는 방법으로서,
    (a) 상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)의 상기 부분에 상기 축 그레디언트 층(28,28')를 형성하는 단계와,
    (b) 상기 적어도 하나의 광섬유(12)를 상기 광학 소자(14)의 상기 표면(14a)의 상기 부분에 융착 접속하는 단계를 포함하는
    섬유 시준기 파워 처리 능력 증가 및 지시 정도 개선 방법.
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