KR100443680B1 - 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 및 그 제조방법에 대해 개시된다. 개시된 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유는, 소정의 직경과 길이를 가지면서 소정의 굴절률을 갖는 물질로 형성된 코어와; 상기 코어를 둘러싸는 형태로 서로 다른 굴절률을 갖는 두 유전물질을 연속적으로 번갈아 증착하여 다층막을 형성하는 클래드층을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 및 그 제조방법은 포토닉크리스탈 섬유의 클래드층에 있어서, 클래드층을 굴절률이 서로 다른 물질로 다층막을 형성하여 광섬유 내로 입사되는 빔을 광섬유 코어 내로 전반사 시킬 수 있다.

Description

포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 및 그 제조방법{OPTICAL FIBER USING OF PHOTONIC BANDGAP AND THE METHOD}

본 발명은 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 포토닉크리스탈 섬유의 클래드층에 있어서, 클래드층을 굴절률이 서로 다른 물질로 다층막을 형성하여 광섬유 내로 입사되는 빔을 광섬유 코어 내로 전반사 시킬 수 있는 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

광섬유는 높은 전력에서 통상적인 광섬유와 같은 크기만큼 선형 효과 또는 광학 손상을 받지 않는다. 특히, 광섬유는 단일 모드 광섬유 레이저 또는 단일 모드 광섬유 증폭기에서 단일 모드 파장으로서 사용될 수 있다.

광섬유는 한 지점에서 다른 지점으로 광을 전달하기 위하여 폭넓게 사용되고 통신, 이미지화 및 감지에 응용할 수 있다. 통상적으로, 일반적인 광섬유는 길이를 따라 균일하지만 단면에 걸쳐 변화하는 굴절률을 가지는 투명 재료의 긴 스트랜드(strand)이다. 예를 들어, 보다 높은 굴절률의 중앙 코어 영역은 보다 낮은 굴절률을 가지는 클래딩 영역에 의해 둘러싸인다. 광섬유는 불순물이 굴절률을 상승시키도록 도입된 실리카로부터 만들어진 코어를 둘러싸는 순수한 실리카 클래딩을 가진 퓨즈된 실리카로 만들어질 수 있다. 광은 코어 및 클래딩 사이의 경계에서 발생하는 총 내부 반사 처리에 의해 코어 내에 또는 코어 근처에 형성된다.

일반적으로, 이런 형태의 광섬유는 코어(즉, 다중 모드 섬유)에 형성된 하나 이상의 인도된 전달 모드를 지원할 수 있다. 이들 모드들은 다른 위상 속도로 광섬유를 따라 이동할 수 있다. 그러나, 만약 코어가 충분히 작게 만들어지면, 단지 하나의 전달 모드만이 기본 모드(즉, 단일 모드 섬유)가 코어에 형성될 것이다. 즉,광섬유로부터 발산되는 광의 분배는 광섬유의 런치(launch) 단부에서 조건이 변화되고 광섬유 자체가 횡단 압축 또는 구부림 같은 장애에 영향을 받을 때 변화되지 않는다. 통상적으로, 1500 nm의 파장을 가지는 단일 모드를 운반하기 위하여 설계된 광섬유는 9 ㎛의 코어 직경을 가지는 코어에서 몇 퍼센트의 게르마늄 도판트를 가질 수 있다.

한편, 단일 모드 섬유는 광섬유에 의해 운반된 신호가 한 모드에서만 이동하고 다중 모드 섬유와 만나는 인터모덜(intermodal)분배 문제를 방지한다는 사실로 인해 원거리 통신, 레이저 전력 전달 및 많은 센서 응용 분야에서 다중 모드 섬유 이상의 장점을 가진다. 또한, 주어진 파장에서 단일 모드 섬유를 가로질러 광 밀도는 하나의 부드럽고, 알려진 변하지 않는 분배를 따르도록 보장된다. 이것은 광이 섬유 또는 임의의 장애가 있는 섬유(예를 들어, 시간 가변)로 어떻게 보내지는가는 관련이 없다.

많은 응용에서 광섬유는 가능한 많은 광 전력을 운반하는 것이 바람직하다. 예를 들어 임의의 광섬유는 어쩔 수 없이 광섬유를 통과하는 동안 광을 감소시킨다. 예를 들어, 주어진 검출기 감도에 대하여, 통신 링크의 길이는 광섬유에 입력되는 방사선 전력을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 다른 실시 예로서, 만약 광이 통상적인 광 시스템을 사용해서보다 하나의 광섬유를 통하여 채널링 될 수 있으면 보다 간략화 하게 만들어질 수 있는 산업적 응용에는 많은 높은 전력 레이저시스템이 있다. 그러나, 주어진 시간에 공지된 광학 섬유에 의해 운반될 수 있는 광량에 대해 제한이 있다.

보다 낮은 굴절률 클래딩 영역에 의해 둘러싸인 코어 영역을 포함하는 통상적인 광섬유에서, 광섬유가 만들어지는 재료는 만약 광섬유내의 광 밀도가 임계값을 초과하면 큰 손상을 입을 것이다. 낮은 밀도에서 비선형 광학 처리에 따른 얼마간의 세기는 광섬유 손상이 없을지라도 품질이 저하되거나 심지어 광 신호가 손상될 수 있다.

이들 문제점은 주어진 전력에 대하여 광섬유의 광의 세기를 감소시켜서 비선형 처리에 대한 임계치에 도달하기 이전에 큰 전력이 운반되게 광섬유 코어의 크기를 증가시킴으로써 경감될 수 있다. 그러나, 만약 코어 직경이 증가되면 광섬유는 다중 모드로 될 것이다. 이것은 코어 및 클래딩 사이의 굴절률 차이를 감소시킴으로서 보상된다. 결국, 코어에 걸쳐 균일한 도핑을 제어하는 것이 어렵게된다. 게다가, 작은 굴절률 차이를 가지는 섬유는 구부러질 때 광이 손실되기 쉽다. 그러므로, 증가된 코더 크기가 단일 모드 섬유의 광 용량을 증가시키는데 사용되는 크기에 한계가 있다.

몇몇의 비선형 효과는 재료가 이들 효과에 보다 민감하게 하는 코어의 도판트 존재에 의해 악화된다. 보다 높은 전력에서, 도핑된 섬유는 심한 손상을 입는다. 도판트는 핵 산업에서 발생하는 이온화 방사선에 의해 보다 쉽게 손상된다. 이는 순수한 실리카로 코어를 제작하게 만들었다. 총 내부 반사량은 굴절률을 감소시키고 보다 적은 광이 코어에서보다 클래딩에서 운반되고, 보다 많은 전력이 운반될 수 있는 클래딩에 도판트를 도입함으로써 유지된다. 그러나, 이는 몇몇의 광이 도핑된 클래딩에서 운반된다는 사실에 의해 제한된다.

게다가, 통상적인 광섬유에서, 광섬유 쪽으로 높은 전력 레이저의 충분한 결합은 광이 작은 지점에 포커스될 필요가 있고 광섬유의 단부면에서 세기가 만약 코어가 크다면 그것보다 클 때 문제이다. 광섬유의 단부면 또는 그 근처에서 광 손상은 광섬유로 보내질 수 있는 방사선 전력을 제한한다.

최근에, 포토닉 크리스탈 섬유(PCF)가 개발되었고, 섬유는 광섬유의 길이를 따라 홀 어레이가 내장된 투명 재료로 만들어진 클래딩을 포함한다. 홀을 주기적인 어레이로 횡으로 배열되고 클래딩 받침대보다 낮은 굴절률을 가지는 재료로 충전되고, 광섬유의 코어는 클래딩 주기성을 단절하는 투명한 영역을 포함한다. 통상적으로, 코어 및 클래딩 양쪽은 퓨즈 실리카로 만들어지고 홀은 공기로 채워진다. 코어 직경은 대략 5㎛이고 전체 섬유의 편평한 폭은 40㎛ 정도이고, 홀은 대략 2-3 ㎛의 간격을 가진다. 만약 광섬유의 공기 홀 직경이 홀 사이에서 충분히 작은 부분의 피치 또는 간격이면, 광섬유 코어는 단일 모드에서 광을 인도한다.

이는 유전체의 굴절률이 일정한 격자상수를 가지고 주기적으로 바뀌도록 만든 구조에서 나타나게 되며, 주로 포토닉 크리스탈 섬유는 2차원 포토닉 밴드갭 구조를 이용한다.

도 1은 종래에 따른 2차원 포토닉 밴드갭 구조로 형성된 광섬유를 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 종래의 포토닉 크리스탈 섬유는 2차원 포토닉밴드갭 효과를 이용한 것으로 광섬유의 코어주위에 2차원 포토닉밴드갭 구조를 갖도록 제작한 것이다. 주로 공기와 실리카의 굴절률차를 이용하며, 다양한 2차원 격자구조를 광섬유 모재에 형성하여 광섬유를 제작한다.

상기 2차원 포토닉밴드갭에서는 해당되는 파장의 빛이 수평입사된 어느 방향이든지 통과하지 못하고 반사되는 현상이 일어나게 되므로 마이크로 케비티로 응용하여 레이저 발진 또는 광도파로로서 가능하다. 또한, 입사되는 모드에 따라서도 밴드갭구조가 다르게 되어 편광기로서 응용에도 가능성이 있다. 현재 알려진 포토닉 크리스탈 섬유는 광섬유모재에 2차원 포토닉밴드 구조를 형성하여, 섬유로 입사된 빔이 코어외부에 형성된 2차원 포토닉밴드갭으로 인해 밖으로 전파되지 못하도록 유도하고 따라서 장거기 전송 중에도 에너지 손실을 줄이는 것과 광섬유의 구부러짐으로 인한 손실방지에 초점을 맞추고 있다.

이러한 구조는 서로 다른 굴절률을 가진 유전체의 격자구조와 굴절율차, 격자상수의 영향을 받게 된다.

그러나, 이러한 구조는 여러 개의 석영유리관을 원하는 격자구조로 쌓아서 모재로 만드는 과정이 쉽지 않으며, 모재로부터 인출된 광섬유 단면에서 보여지는 2차원 포토닉밴드갭 효과이기보다는 유효굴절률의 변화에만 영향을 미치는 것으로 실질적인 광손실을 줄이지 못하는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 특히 포토닉 크리스탈 섬유의 클래드층에 있어서, 클래드층을 굴절률이 서로 다른 물질로 다층막을 형성하여 광섬유 내로 입사되는 빔을 광섬유 코어 내로 전반사 시킬 수 있는 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래에 따른 2차원 포토닉 밴드갭 구조로 형성된 광섬유를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 1차원 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 클래드층을 형성하는 것을 개략적으로 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 클래드층이 1차원 밴드갭 구조를 갖는 다층막을 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 수직방향에서의 광을 반사시키는 밴드갭을 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 소정각도의 방향에서의 광을 반사시키는 밴드갭을 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

201 --- 코어 202 --- 클래드층

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유는,

소정의 직경과 길이를 가지면서 소정의 굴절률을 갖는 물질로 형성된 코어와;

상기 코어를 둘러싸는 형태로 서로 다른 굴절률을 갖는 두 유전물질을 연속적으로 번갈아 증착하여 다층막을 형성하는 클래드층을 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 클래드층의 두 물질은 실리카와 실리콘을 이용하여 다층막을 형성하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 코어의 직경은 1㎛ ~ 50㎛로 하고, 상기 다층막이 형성된 클래드층의 두께는 100㎚ ~ 1㎛로 형성하는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 제조방법은,

소정의 직경과 길이를 갖는 유리 튜브의 내부에 소정의 굴절률을 갖는 물질을 주입하여 코어를 형성하는 단계와;

상기 소정의 직경과 길이를 갖는 유리 튜브의 내부에 주입되어 형성된 코어에 굴절률이 서로 다른 두 유전물질을 연속적으로 번갈아 증착하여 다층막으로 이루어진 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 포토닉 크리스탈 섬유의 클래드층에 있어서, 클래드층을 굴절률이 서로 다른 물질로 다층막을 형성하여 광섬유 내로 입사되는빔을 광섬유 코어 내로 전반사 시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 1차원 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 소정의 직경과 길이를 가지면서 소정의 굴절률을 갖는 물질로 형성된 코어(201)와; 상기 코어(201)를 둘러싸는 형태로 서로 다른 굴절률을 갖는 두 유전물질을 연속적으로 번갈아 증착하여 다층막을 형성하는 클래드층(202)을 포함하여 구성된다.

따라서, 1차원 포토닉 밴드갭(One-Dimensional band gap)효과란 서로 다른 유전상수(Dielectric constants)를 가지고 있는, 즉 다른 굴절률을 가지는 물질을 교대로 쌓아서 만든 다층막(multilayer film)에서 볼 수 있는 효과이다.

이러한 현상을 이용한 것이 유전 미러(Dielectric mirror) 또는 광 필터(optical filter) 등이다. 이들은 막에 입사된 빔을 반사시키거나, 특정주파수만 걸러내는 등의 기능을 가지고 있었으나 포토닉 밴드갭 효과로 설명되어 오지는 않았다.

또한 이러한 소자들은 평면적층방법으로 제작되어져 왔으며 광도파로 성격을 지닌 소자에는 매우 제한적으로 응용되어져 왔다. 포토닉 크리스탈 섬유는 이러한 포토닉 밴드갭 현상을 이용한 섬유를 말한다.

상기 도 2의 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유의 제조방법의 일 실시 예를 설명하기로 한다. 여기서, 모재(preform)를 형성하는 방법은 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition), VAD(Vapor Axial Deposition),OVD(Outside Vapor Deposition)라는 세 가지 방법이 적용될 수 있으며, 상기 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)을 중심으로 설명한다.

먼저 소정의 직경과 길이를 갖는 유리 튜브의 내부에 소정의 굴절률을 갖는 물질을 주입하여 코어를 형성하는 단계가 수행된다(S201). 여기서, 유리튜브 안쪽에 염화규소의 기체를 고온에서 산화시키면서 주입하게 되면 실리카인 코어가 형성된다. 이 때 부가적으로 첨가제를 넣어주면 굴절률을 조절하게 된다.

도3은 본 발명에 따른 클래드층을 형성하는 것을 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 소정의 직경과 길이를 갖는 유리 튜브의 내부에 주입되어 형성된 코어에 굴절률이 서로 다른 두 유전물질을 연속적으로 번갈아 증착하여 다층막으로 이루어진 클래드층을 형성하는 단계가 수행된다(S202).

여기서, 상기 튜브 내에 형성된 코어에 굴절률이 다른 실리카와 실리콘을 교대로 번갈아 주입하게 되면 다층막이 형성된다.

도 4는 본 발명에 따른 클래드층이 1차원 밴드갭 구조를 갖는 다층막을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 1차원 포토닉밴드갭 구조로 특히 쿼터 웨이브 미러 효과를 이용하여 밴드갭 구조를 나타내는 물질이 주기적인 배열에 의한 것이다. 이는 굴절률이 다른 두 물질이 일정한 주기로 반복되고 있으며 이러한 구조를 광섬유의 동심원상에 적용하게 된다.

이러한 구조의 포토닉 크리스탈 섬유제작을 위해서는 코어에 실리카와 실리콘을 교대로 분사하여 실리카와 실리콘의 두께조절을 통해 최종 광섬유 클래드층 내에서 1차원 포토닉 밴드갭을 가질 수 있도록 적층한다.

상기 코어의 직경은 일반적인 싱글모드 광섬유코어나 멀티모드 광섬유코어의 범위를 포함하여 1㎛ ~ 50㎛ 의 직경을 갖도록 한다. 이후 클래드층에 해당되는 부분부터 포토닉밴드갭을 갖도록 하는 일정한 주기, 즉 두께는 100㎚ ~ 1㎛ 로 굴절률 변화주기를 갖도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 수직방향에서의 광을 반사시키는 밴드갭을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 파장의 밴드갭을 가지며 이는 광섬유 코어에서 바깥으로 수직인 방향에서 완전한 밴드갭을 가지는 것으로 나타난다.

이는 광섬유 코어를 나타내는 원의 중심으로부터 바깥쪽은 언제나 1차원 포토닉 크리스탈구조의 주기성을 느끼게 되며 이런 경우에는 해당되는 파장의 빔은 반사되어 코어 내에 갇히게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 소정각도의 방향에서의 광을 반사시키는 밴드갭을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 광섬유 내로 입사된 빔이 중심을 지나지 않을 경우에는 상기 수직방향에 대한 밴드갭처럼은 완전하지는 않지만 특정한 각도 내로 입사되면 밴드갭효과에 의해 마찬가지로 코어 내에 갇히게 된다.

또한, 광증폭 및 레이저 발진을 위한 광섬유제작을 위해서는 위와 같은 공정후 코어층 적층시 증폭물질을 코어층에 도핑하여 제작한다.

따라서 광섬유 코어에 어븀 도핑을 통해 광섬유증폭기, 광섬유 레이저로 사용할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유 및 그 제조방법은 포토닉 크리스탈 섬유의 클래드층에 있어서, 클래드층을 굴절률이 서로 다른 물질로 다층막을 형성하여 광섬유 내로 입사되는 빔을 광섬유 코어 내로 전반사 시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 소정의 직경과 길이를 가지면서 소정의 굴절률을 갖는 물질로 형성된 코어와;

   상기 코어를 둘러싸는 형태로 서로 다른 굴절률을 갖는 두 유전물질을 연속적으로 번갈아 증착하여 다층막을 형성하는 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 클래드층의 두 물질은 실리카와 실리콘을 이용하여 다층막을 형성하는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 코어의 직경은 1㎛ ~ 50㎛로 하고, 상기 다층막이 형성된 클래드층의 두께는 100㎚ ~ 1㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유.
4. 소정의 직경과 길이를 갖는 유리 튜브의 내부에 소정의 굴절률을 갖는 물질을 주입하여 코어를 형성하는 단계와;

   상기 소정의 직경과 길이를 갖는 유리 튜브의 내부에 주입되어 형성된 코어에 굴절률이 서로 다른 두 유전물질을 연속적으로 번갈아 증착하여 다층막으로 이루어진 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭을 이용한 광섬유의 제조방법.