KR100407962B1 - 편광을 유지하는 광섬유 - Google Patents

Abstract

편광을 유지하는 광 섬유에 관한 것으로서, 특히 광 섬유의 입사부와 출사부의 양 끝면이 광섬유의 광축에 대해 일정한 각도로 기울어진 면 형상을 갖으며, 상기 면 형상을 갖는 양 끝면에 광의 편광 방향에 따라 편광된 광을 선택적으로 투과 또는 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS)층을 형성함으로써, 입사되는 광의 편광 방향과 동일한 편광 방향의 광을 얻을 수 있다. 또한, 광의 편광 변화에 의해 손실되는 광을 재변환시켜 이용하므로 광 이용 효율을 증가시키고 광출력을 증가시킨다. 그리고, 광섬유의 굴곡, 온도, 외부 압력등의 광섬유에 대한 편광 변화 요인과 관계없이 편광을 유지시킨다.

Description

편광을 유지하는 광섬유{Optical fiber for keeping polarization}

본 발명은 편광을 유지하는 광섬유에 관한 것으로서, 특히 광섬유의 양 끝면을 코팅 처리하고 특정 면형상으로 가공하여 일정한 편광의 광을 얻는 광섬유에 관한 것이다.

광섬유는 광을 일정 위치에서 다른 위치로 전송하는 수단으로서, 광통신, 광학 측정, 광전송 등에 광범위하게 사용된다.

이러한 광섬유의 기본 원리는 광의 전반사이다.

도 1은 광의 굴절과 전반사의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 즉, 굴절률이 다른 매질을 지나가는 광은 두 매질의 경계부에서 굴절이 생겨 진행한다. 이때 두 매질의 굴절률 n1과 n2 그리고, 입사되는 광의 각도과 굴절되는 광의 각도사이에는 다음의 수학식 1과 같은 관계를 갖는다.

이것은 스넬(snell) 법칙으로 알려져 있다.

즉, 굴절률이 높은 매질에서 굴절률이 낮은 매질로 광이 진행할 때 특정 입사각에 대해 굴절되는 각이 90°가 되고, 그 각보다 더 큰 입사각에 대해서는 광이 매질의 경계면에서 반사되어 진행하게 된다. 예를 들어, 물에서 공기로 진행하는 광인 경우 물의 굴절률을 1.3이라 하고, 공기의 굴절률을 1이라 하면, 굴절된 광의 각도가 90°가 되는 입사광의 각도는 하기의 수학식 2와 같이 50°이 된다.

이때, 50°보다 큰 입사각에 대해서는 물에서 진행하는 광이 물과 공기의 경계면에서 반사되어 물의 영역으로 진행하게 된다. 도 1에서 제 1 입사광(1)과 제 1 굴절광(11)은 굴절률이 다른 경계면에서 광의 굴절을 나타낸다. 그리고, 제 2 입사광(2)에 대해 제 2 굴절광(12)은 90°굴절하여 경계면 상에서 진행한다.

또한, 제 3 입사광(3)의 경우 제 3 굴절광(13)은 90°보다 큰 각도로 굴절하게 되는데 결국 경계면에서 반사되어 진행하는 것과 같게 된다. 이러한 현상이 광의 전반사(total reflection)로 알려져 있다.

즉, 전반사가 일어나기 위해서는 입사 매질의 굴절률이 굴절 매질의 굴절률보다 커야 한다.

광섬유는 이러한 광의 전반사를 이용한 구조로서, 도 2에 광섬유 구조의 예를 도시하고 있다.

도 2와 같이 광섬유는 중앙부에 코아(core, 21)가 있고, 코아(21) 주위를 둘러싼 클래딩(cladding, 22)으로 구성된다. 이때, 전반사가 일어나기 위해서 코아(21)의 굴절률이 클래딩(22)의 굴절률보다 크다. 따라서, 코아(21) 내부로 입사된 광은 전반사 조건에 의해 코아(21)를 따라 반사하면서 진행하게 된다.

그런데, 광섬유 내부로 입사된 광은 광섬유 코아(21)에서 진행하는 동안 광의 위상 변화가 일어나게 되어 광의 편광 방향이 변하게 된다. 또한, 광섬유를 구부림에 따라 그리고, 광섬유의 굴곡, 열, 외부 압력 등에 의해 광섬유는 스트레스(stress)를 받게 되고, 이 스트레스에 의해 광섬유에 굴절률 변화가 생겨서 광의 위상을 변화시킨다. 즉, 상기 스트레스가 광섬유의 굴절률 변화를 일으켜 편광 변화를 더욱 크게 한다.

결국 광섬유는 광의 에너지를 효과적으로 전달하지만 편광을 변화시키는 문제점을 갖고 있다. 편광을 이용하는 응용 분야에서는 광섬유의 편광 변화에 의한 손실로 광을 효율적으로 이용하기 어렵다.

따라서, 광섬유에서 편광을 유지하기 위해서 단일모드 광섬유를 이용하기도 하는데, 이는 광섬유의 굵기가 수 ㎛내로 가늘어야 하고 광섬유의 길이가 편광 방향에 따라 제한적이며 외부 압력이나 휘어짐에 의한 스트레스에 약한 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 광섬유에 의해 발생하는 편광 변화를 최소화하고 편광 손실을 줄여 입력되는 편광 방향과 동일한 출력 편광을 얻어 광 이용 효율을 향상시키는 광섬유를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 굴절과 전반사 과정을 설명하기 위한 도면

도 2는 일반적인 광섬유의 구조를 보인 도면

도 3은 본 발명에 따른 광섬유의 구조를 보인 도면

도 4는 도 3의 광섬유를 응용한 광학 장치의 일 예를 보인 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 코어 32 : 클래딩

33-1,33-2 : PBS층 34 : S파 광

35 : P파 광

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편광 방향을 유지하는 광섬유는, 광 섬유의 입사부와 출사부의 양 끝면이 광섬유의 광축에 대해 일정한 각도로 기울어진 면 형상을 갖으며, 상기 면 형상을 갖는 양 끝면에 광의 편광 방향에 따라 편광된 광을 선택적으로 투과 또는 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS)층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 광섬유 코아는 광섬유 클래딩보다 굴절률이 커서 입사되는 광에 대해 전반사를 일으켜 광을 진행시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 광섬유의 구성을 보인 것으로서, 광섬유를 구성하는 광섬유 코아(31)와 광섬유 클래딩(32)과 광섬유의 양 끝면에 형성된 PBS층(33-1,33-2)으로 이루어진다.

상기 광섬유 코아(31)는 광섬유 클래딩(32)보다 굴절률이 커서 입사되는 광에 대해 전반사를 일으키므로, 광은 상기 광섬유 코아(31)를 따라서 진행된다.

상기 PBS층(33-1,33-2)은 광의 편광 방향에 따라 편광된 광을 선택적으로 투과 또는 반사시킨다. 본 발명에서는 상기 PBS층(33-1,33-2)은 S파 광(34)을 투과시키고 P파 광(35)을 반사시키는 것을 실시예로 한다. 설계자에 따라 그 반대의 동작도 가능하다.

상기 PBS층(33-1,33-2)은 광섬유의 중심축과 일정한 각도를 갖고 기울어진 광섬유의 입사부 면과 출사부 면에 나란히 형성된다. 이때, 상기 PBS층(33-1,33-2)은 다층 박막의 코팅이나 얇은 판상의 광학 부품으로 구성된다.

본 발명의 동작 원리는 다음과 같다.

먼저, 광섬유의 입사부로 일정한 편광 방향의 광인 S파 광(34)이 입사될 경우, 상기 S파 광은 광섬유의 입사부 끝면에서 PBS층(33-1)을 만나며, 이때 상기 S파 광(34)은 PBS층(33-1)을 투과한다.

상기 PBS층(33-1)을 투과한 S파 광(34)은 광섬유 내의 광섬유 코아(31)로 입사되고, 상기 광섬유 코아(31)를 따라서 광섬유의 출사부로 진행하게 된다.

이때, 상기 광섬유 코아(31)에서 S파 광(34)이 진행하는 동안 광의 위상 변화가 일어나게 되어 광의 편광 방향이 변할 수 있다. 또한, 광섬유의 굴곡, 열, 외부 압력등에 의해 생긴 스트레스로 광의 편광 방향이 변할 수도 있다.

즉, 광섬유 코아(31)에서 진행된 S파 광(34)이 편광 방향을 유지하지 못하고 편광 변화를 일으키면, S파 편광(34)과 P파 편광(35)이 섞인 상태로 광섬유의 출사부 끝면에 도달한다.

이때, 광섬유의 출사부 끝면에도 광섬유의 입사부 끝면과 마찬가지로 일정 각으로 기울어진 면에 PBS층(33-2)이 형성되어 있다.

따라서, 상기 광섬유 출사부 끝면에 도달한 광 중에서 S파 광(34)은 PBS층(33-2)을 투과하여 출사되어 나가게 되고, P파 광(35)은 PBS층(33-2)에서 반사되어 다시 광섬유 코아(31)를 따라서 입사부로 진행하게 된다.

상기 광섬유 코아(31)를 따라서 입사부로 진행한 P파 광(35)은 위상 변화에 의해 편광 방향이 변하여 P파 광(35)과 S파 광(34)이 섞이게 되고, 입사부의 PBS층(33-1)에서 P파 광(35)은 반사되어 다시 출사부로 진행하게 된다.

이와 같은 과정을 반복하면서 광섬유 내에서 S파 광(34)은 지속적으로 출사되어 나가고, P파 광(35)은 광섬유 내에서 S파 광으로 일부 변환하여 손실되지 않고 재활용할 수 있게 된다.

결국 광섬유에서 입사된 S파 광과 같은 편광 방향의 S파 광이 항상 출사되므로 항상 입사되는 광의 편광 방향과 동일한 편광을 유지시킬 수 있다. 또한, P파 광으로 변환된 광을 모두 손실하지 않고 일부를 광섬유 내에서 S파로 변환하여 재활용함으로써, 광의 이용 효율과 출력을 향상시킬 수 있게 된다.

마찬가지로, 입사되는 광의 편광 방향이 P파 광인 경우 P파 광을 투과시키고S파 광을 반사시키는 PBS층을 이용하면 같은 결과를 얻을 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 광섬유를 이용한 광학 응용 예로 도 4와 같이 설치할 수 있다.

즉, 광원(41)에서 나온 빛을 광학계(42)를 통해 광섬유(43)에 입사시킨다. 이때, 상기 광원(41)으로는 주로 단일 편광 방향을 갖는 레이저가 사용된다. 광섬유(43)로 입사된 광은 광섬유(43)의 양 끝면에 위치한 PBS층(44-1,44-2)에 의해 입사광의 편광 방향과 동일한 편광 방향으로 출사된다. 상기 광섬유(43)에서 출사된 광은 광학계(45)에 의해 검출기(46)나 다른 광학 계측기로 진행하여 사용하게 된다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 편광을 유지하는 광섬유에 의하면, 입사되는 광의 편광 방향과 동일한 편광 방향의 광을 얻을 수 있다. 즉, 광의 편광을 유지시킨다. 또한, 편광 변화에 의해 손실되는 광을 재변환시켜 이용하므로 광 이용 효율을 증가시키고 광출력을 증가시킨다. 그리고, 광섬유의 굴곡, 온도, 외부 압력등의 광섬유에 대한 편광 변화 요인과 관계없이 편광을 유지시킨다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 광 섬유 코아와 클래딩으로 이루어진 광섬유에 있어서,

   상기 광 섬유는 입사부와 출사부의 양 끝면이 광섬유의 광축에 대해 일정한 각도로 기울어진 면 형상으로 이루어지며, 상기 면 형상으로 이루어진 양 끝면에 광의 편광 방향에 따라 편광된 광을 선택적으로 투과 또는 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS)층이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 PBS층은 다층 박막의 코팅 처리를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 PBS층은 얇은 판상의 광학 부품으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유.