KR100454232B1 - Polarization-maintaining Optical Fibers and Method Thereof - Google Patents

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KR100454232B1
KR100454232B1 KR10-2002-0038665A KR20020038665A KR100454232B1 KR 100454232 B1 KR100454232 B1 KR 100454232B1 KR 20020038665 A KR20020038665 A KR 20020038665A KR 100454232 B1 KR100454232 B1 KR 100454232B1
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Abstract

본 발명은 편광유지형 광섬유로서,The present invention is a polarization maintaining optical fiber,

클래딩 영역내의 비대칭 잔류응력 발생영역으로서 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 구비함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유를 개시한다.Disclosed is a polarization-maintaining optical fiber comprising a silica layer doped with a dissimilar material having a tendency of mutually opposite thermal expansion coefficient and refractive index, respectively, as an asymmetric residual stress generating region in the cladding region.

또한 본 발명은 편광유지형 광섬유의 제조방법으로서,In addition, the present invention is a method of manufacturing a polarization maintaining optical fiber,

코어의 외층에 도핑농도에 따른 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 형성하는 단계와, 이종 물질이 도핑된 실리카층의 외층에 실라카층을 형성하여 모재를 제조하는 단계와, 모재의 양측면을 절단하여 비대칭 잔류응력 발생영역을 성형하는 단계, 및 상기 성형된 모재의 양측에 클래딩 영역을 위한 실리카층을 형성하고 원하는 강도로 인출하는 단계를 포함하는 편광유지형 광섬유의 제조방법을 포함한다. 상기 구성에 의하면 고농도의 붕소를 도핑하지 않고서도 굴절률의 구조를 원통대칭 계단구조로 형성할 수 있고, 비대칭적으로 응력을 코어에 가할 수 있어 클래딩 영역을 활용할 수 있는 편광유지형 광섬유를 제조할 수 있다.Forming a silica layer doped with a heterogeneous material having a tendency of mutually opposite coefficients of thermal expansion and refractive index depending on the doping concentration, and forming a silica layer on the outer layer of the silica layer doped with a heterogeneous material; Shaping both sides of the base material to form an asymmetrical residual stress generating region, and forming silica layers for cladding regions on both sides of the formed base material and drawing them to a desired strength. It includes a manufacturing method. According to the above configuration, the structure of the refractive index can be formed in the cylindrical symmetrical step structure without doping the high concentration of boron, and asymmetrical stress can be applied to the core to produce a polarization-maintaining optical fiber that can utilize the cladding region. .

Description

편광유지형 광섬유 및 그 제조방법 {Polarization-maintaining Optical Fibers and Method Thereof}Polarization-maintaining optical fiber and its manufacturing method {Polarization-maintaining Optical Fibers and Method Thereof}

본 발명은 편광유지형 광섬유로서, 보다 상세하게는 고농도의 붕소를 도핑하지 않고서도 굴절률의 구조를 원통대칭 계단구조로 형성할 수 있고, 비대칭적으로 응력을 코어에 가할 수 있어 클래딩 영역을 활용할 수 있는 편광유지형 광섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a polarization-maintaining optical fiber, and more specifically, the refractive index structure can be formed in a cylindrical symmetrical step structure without doping a high concentration of boron, and asymmetric stress can be applied to the core to utilize the cladding region. A polarization sustaining optical fiber and a method of manufacturing the same.

편광 유지 광섬유 중 가장 널리 사용되고 있는 종류는 광섬유 코어 주위에 비대칭적으로 잔류응력을 가할 수 있는 물질을 도핑함으로써 광탄성 효과에 의해 코어에 복굴절을 유발시키는 방법이 적용되어 왔다. 이러한 종류의 광섬유로는 PANDA 화이버, 보우타이(Bow-tie) 화이버, 에립틱 클래딩 화이버(elliptic cladding fiber)등이 가장 잘 알려진 형태의 광섬유들이다.The most widely used type of polarization maintaining optical fiber has been applied a method of causing birefringence in the core by the photoelastic effect by doping a material that can apply a residual stress asymmetrically around the optical fiber core. The most common types of optical fibers are PANDA fibers, Bow-tie fibers, and elliptic cladding fibers.

비대칭적으로 잔류응력을 가하는 물질로써 보로실리케이트 유리 (borosilicate glass)를 주로 사용한다. 이는 실리카 유리(silica glass)와의 열팽창계수 차이를 극대화시킴으로써 광섬유 모재 및 인출시 냉각과정에서 수축현상에 의해 열적인 잔류응력을 발생시키기 때문이다.Borosilicate glass is mainly used as a material that asymmetrically applies residual stress. This is because thermal residual stress is generated due to shrinkage during cooling of the optical fiber base material and drawing out by maximizing the difference in thermal expansion coefficient with silica glass.

그러나 보로실리케이트 유리의 사용은 여러 가지 문제점들을 발생시킨다. 상기 유리의 사용은 적외선 영역에서 산란에 의한 손실을 다른 물질보다 많이 일으키며, 또한 굴절률을 낮추기 때문에 코어에 가까이 접근시키지 못한다. 일반적으로 코어 반경에 대해 약 6배 정도 멀리 위치해 있어야 한다. 이러한 구조 설계상의 장애(광 손실, 코어 영역과 거리유지)들 때문에 제조공정이 복잡해지며 소비되는 시간도 길어지게 된다. 이러한 요소들이 현재 편광유지 광섬유의 생산가격을 높여 놓은 요인들이라 할 수 있다.However, the use of borosilicate glass presents a number of problems. The use of the glass causes more loss due to scattering in the infrared region than other materials and also lowers the refractive index so that it does not get close to the core. In general, they should be located about six times farther away from the core radius. These structural design obstacles (light loss, core area and distance maintenance) add complexity to the manufacturing process and increase the time spent. These factors are factors that have raised the production price of the polarization maintaining optical fiber.

또한 굴절률을 낮추는 물질의 도핑으로 인하여 클래딩 모드들이 도파되기 힘든 구조를 띄게 된다. 광섬유를 이용한 소자들 중 많은 부분들이 이 클래딩 모드와 코어 모드들의 상호 커플링을 이용하는데, 이런 클래딩모드 도파 장애는 클래딩 모드를 이용하는 광섬유 소자를 제작할 수 없는 단점을 갖게 만든다. 보로실리케이트 유리는 열팽창계수가 실리카 유리와 붕소의 농도에 따라 큰 차이를 만들어 내는데, 광섬유 인출 시만 열적 잔류응력을 발생시키는 것이 아니라 모재 생성 과정에서도 유사한 응력을 발생시키게 된다(단 발생했던 모재의 잔류응력은 인출 시 모두 소멸된다). 따라서 모재상태에서 큰 비대칭 응력을 받고 있으므로 물리적으로 매우 불안정한 상태일 수 있으며, 제조공정상에 모재가 깨지지 않도록 상당한 주의와 어닐링 처리가 요구된다.In addition, the cladding modes are difficult to be guided due to the doping of the material to lower the refractive index. Many of the devices using optical fibers make use of the mutual coupling of the cladding mode and the core modes. This cladding mode waveguide failure has the disadvantage of not being able to fabricate optical fiber devices using the cladding mode. Borosilicate glass produces a large difference in coefficient of thermal expansion according to the concentration of silica glass and boron, and not only generates thermal residual stress when the fiber is pulled out, but also generates similar stresses in the process of forming the base material. Are all destroyed upon withdrawal). Therefore, since it is subjected to a large asymmetric stress in the base material state, it may be in a very unstable state physically, and considerable care and annealing treatment are required so that the base material is not broken in the manufacturing process.

본 발명에서는 열 팽창계수를 극대화시키는 방법이 아닌 인출 시 기계적인 힘에 의해 그 크기가 조절 가능한 잔류응력 발생 방법을 적용함으로써 편광 유지 효과를 만들어 내고자 한다. 따라서 열 팽창계수를 극대화시키는 첨가 물질인 보로실리케이트 유리 대신 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질을 적절한 비율로 첨가하여 기계적인 응력을 충분히 받을 수 있도록 유리의 점도를 떨어뜨리고 이와 동시에 굴절률을 실리카 클래딩과 일치시키고자 하였다. 따라서 열팽창 계수가 보로실리케이트 유리보다 상대적으로 작기 때문에 모재의 물리적 안정도를 개선시킬 수 있다. 또한 굴절률을 클래딩과 일치시킬 수 있기 때문에 클래딩 모드를 활용하는 소자를 제작할 수 있을 것이다. 이에 더하여 첨가되는 이종 물질을 산란에 의한 손실이 상대적으로 작고 일반 광섬유 제작에 널리 사용되는 첨가물을 이용한다면 코어 영역과의 거리와 관계없이 어느 영역에서도 도핑이 가능하게 된다.In the present invention, it is intended to create a polarization retention effect by applying a method of generating residual stress whose size is adjustable by mechanical force at the time of extraction, not by a method of maximizing a thermal expansion coefficient. Therefore, instead of borosilicate glass, which is an additive material that maximizes the coefficient of thermal expansion, a heterogeneous material having a tendency of mutually opposite thermal expansion coefficient and refractive index is added at an appropriate ratio to reduce the viscosity of the glass to sufficiently receive mechanical stress and at the same time, Was intended to match the silica cladding. Therefore, since the coefficient of thermal expansion is relatively smaller than that of borosilicate glass, the physical stability of the base material can be improved. In addition, the refractive index can be matched with the cladding, allowing devices to be fabricated utilizing the cladding mode. In addition, if the heterogeneous material added is relatively low in scattering and uses additives widely used in general optical fiber fabrication, doping is possible in any region regardless of the distance from the core region.

이에 따라 본 발명의 목적은 고농도의 붕소를 도핑하지 않고서도 굴절률의 구조를 원통대칭 계단구조로 형성할 수 있고, 비대칭적으로 응력을 코어에 가할 수 있어 클래딩 영역을 활용할 수 있는 편광유지형 광섬유 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to form a structure of the refractive index in a cylindrical symmetrical step structure without doping a high concentration of boron, and to apply a stress to the core asymmetrically to maintain a polarized light-type optical fiber and its To provide a manufacturing method.

도 1의 (a)는 편광유지 광섬유의 한 형태를 띠고 있는 광섬유 모재가 인출될 때 받을 수 있는 기계적으로 유도된 응력의 각 영역별 방향을 표기한 것이고,1 (a) shows the direction of each region of the mechanically induced stress that can be received when the optical fiber base material having a form of polarization maintaining optical fiber is drawn out,

(b)는 비대칭 응력을 가하는 부분이 인접한 영역으로부터 응력을 받는 것을 보여준다.(b) shows that the asymmetrical stressed portion is stressed from the adjacent area.

도 2는 열적으로 유도되는 잔류응력의 크기를 결정하는 요소인 열팽창계수와 농도에 따른 굴절률 변화 경향을 그래프로 나타낸 것이다.FIG. 2 is a graph showing the change in refractive index according to the coefficient of thermal expansion and concentration, which are factors that determine the magnitude of thermally induced residual stress.

도 3은 열적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유와 기계적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유의 굴절률 구조를 비교하여 도시한 것이다.FIG. 3 shows a comparison of refractive index structures of a polarization maintaining optical fiber using thermal residual stress and a polarization maintaining optical fiber using mechanical residual stress.

도 4는 모재제조과정에서 편광 유지 광섬유의 첨가물 영역에 따른 비대칭 구조를 형성하기 위해 필요한 중요 공정들을 개략적으로 도시한 것이다.FIG. 4 schematically illustrates important processes required to form an asymmetric structure according to the additive region of the polarization maintaining optical fiber in the base material manufacturing process.

도 5는 편광 유지형 클래드 펌프 증폭용 광섬유를 제조하는데 필요한 도핑법과 공정을 개략적으로 도시한 것이다.FIG. 5 schematically illustrates a doping method and a process required to manufacture an optical fiber for a polarization maintaining clad pump amplification.

본 발명은 편광유지형 광섬유로서,The present invention is a polarization maintaining optical fiber,

클래딩 영역내의 비대칭 잔류응력 발생영역으로서 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 구비하는 편광유지형 광섬유를 포함한다.An asymmetric residual stress generating region in the cladding region includes a polarization maintaining optical fiber having a silica layer doped with a dissimilar material having a tendency of mutually opposite coefficients of thermal expansion and refractive index.

상기 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질들을 적절히 선택된 농도로 함께 실리카층에 도핑시킴으로써 열팽창계수 및 굴절율을 상호 보상시켜 주므로 변화량이 매우 적고 단지 유리점도만을 낮추는 것이 가능하다.By doping heterogeneous materials having a tendency of opposite coefficients of thermal expansion and refractive index to the silica layer together at an appropriately selected concentration, the thermal expansion coefficient and the refractive index are mutually compensated, so that the change amount is very small and only the glass viscosity can be lowered.

상기 이종 물질로는 도핑 농도와 열팽창계수 또는/및 굴절율이 양의 상관관계를 가지는 물질군과, 도핑 농도와 음의 상관관계를 가지는 물질군으로부터 적어도 1종 이상씩 선택하여 도핑될 수 있다. 도핑시의 적합한 농도는 바람직하기로는 비대칭 잔류응력 발생영역의 굴절율 또는/및 열팽창계수를 클래딩 영역의 굴절율 또는/및 열팽창계수와 실질적으로 동일하게 하는 정도로서 이들의 구체적인 농도는 당업자에 따라 적의 선택되어질 사항이다.The heterogeneous material may be doped by selecting at least one selected from a material group having a positive correlation between a doping concentration and a thermal expansion coefficient and / or a refractive index, and a material group having a negative correlation with a doping concentration. Suitable concentrations during doping are preferably such that the refractive index or / and thermal expansion coefficient of the asymmetric residual stress generating region is substantially the same as the refractive index or / and thermal expansion coefficient of the cladding region, and their specific concentrations are appropriately selected by those skilled in the art. to be.

또한 본 발명은 상기 편광유지형 광섬유를 제조하기 위한 방법으로,In another aspect, the present invention is a method for manufacturing the polarization maintaining optical fiber,

코어의 외층에 도핑농도에 따른 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 형성하는 단계와,Forming a silica layer doped with a heterogeneous material on the outer layer of the core having a tendency of mutually opposite coefficients of thermal expansion and refractive index, respectively;

이종 물질이 도핑된 실리카층의 외층에 실라카층을 형성하여 모재를 제조하는 단계와,Preparing a base material by forming a silica layer on the outer layer of the silica layer doped with a dissimilar material;

모재의 양측면을 절단하여 비대칭 잔류응력 발생영역을 성형하는 단계, 및Cutting both sides of the base material to form an asymmetric residual stress generating region, and

상기 성형된 모재의 양측에 클래딩 영역을 위한 실리카층을 형성하고 원하는 강도로 인출하는 단계를 포함하는 편광유지형 광섬유의 제조방법을 포함한다.It includes a method of manufacturing a polarization-maintaining optical fiber comprising forming a silica layer for the cladding region on both sides of the molded base material and withdrawing to a desired strength.

이하 본 발명의 내용을 바람직한 실시예를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만 하기 실시예는 양의 상관관계를 가지는 물질 중에서 인(P2O5)을 선택하고, 음의 상관관계를 가지는 물질 중에서 불소(F)를 선택한 것으로, 이는 어디까지나 본 발명의 내용을 이해하기 위한 예시에 불과한 것으로 이들에 한정될 필요는 없다. 따라서 본 발명의 권리범위는 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 모든 이종 물질들을 포함함을 유의해야 한다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, in the following examples, phosphorus (P 2 O 5 ) is selected from materials having a positive correlation, and fluorine (F) is selected from materials having a negative correlation, which is to be understood to the present invention to the last. It is only an example for the purpose of not needing to be limited thereto. Therefore, it should be noted that the scope of the present invention includes all heterogeneous materials which tend to have opposite coefficients of thermal expansion and refractive index, respectively.

광섬유 제조 시 발생하는 잔류응력에는 크게 열적 잔류응력(thermally induced residual stress)과 기계적 잔류응력(mechanically induced residual stress)으로 나뉠 수 있다. 열적 잔류 응력은 굴절률 변화를 위해 첨가되는 도핑물질의 열팽창계수가 순수 실리카 유리와 달라서 인출 시 냉각과정에서 서로 수축되는 정도의 차이가 발생되는데, 그 수축량의 불균형으로 인한 도핑 영역간의 응력을 열적 잔류응력이라 한다. 반면 기계적 잔류응력은 첨가되는 도핑물질에 따라 유리 점도의 저하 효과가 각각 다른데(모든 첨가물질은 유리의 점도를 낮추는 효과를 갖는다.), 인출 시 인장력이 가해질 때 각 점도가 다른 첨가물질 영역에 따라 서로 다른 회복력(restoring force)을 발생시킨다. 따라서 인출 후 인장되었던 광섬유가 회복될 때 수축량의 불균형으로 인해 도핑영역간에 응력을 받게 된다. 이를 기계적 잔류응력이라 한다. 이에 대한 자세한 설명은 다음 문헌에 자세히 설명되어 있다.(Y. Park et al, "Residual Stresses in a Doubly Clad Fiber with Depressed Inner Cladding(DIC)," J. of Lightwave Technol. vol.17, 1823-1834 (1999))Residual stresses generated during the fabrication of optical fiber can be classified into thermally induced residual stress and mechanically induced residual stress. The thermal residual stress is different from that of pure silica glass because the thermal expansion coefficient of the doping material added to change the refractive index is different from each other in the cooling process during extraction, and the residual residual stress due to the unbalance of the shrinkage amount is caused by the thermal residual stress. This is called. On the other hand, the mechanical residual stress has a different effect of lowering the glass viscosity depending on the dopant added (all additives have an effect of lowering the viscosity of the glass). Generate different restoring forces. Therefore, when the optical fiber, which has been stretched after drawing out, is recovered, stress between the doped regions due to the imbalance of shrinkage amount. This is called mechanical residual stress. This is described in detail in the following literature (Y. Park et al, "Residual Stresses in a Doubly Clad Fiber with Depressed Inner Cladding (DIC)," J. of Lightwave Technol. Vol. 17, 1823-1834. (1999))

특히 기계적 잔류응력의 경우 인출시 인장력을 얼마나 크게 가하느냐에 따라 인출 후 수축력의 크기가 선형적으로 결정되므로 응력을 인출조건으로 조절할 수 있다는 특징을 보인다. 또한 열적 잔류응력은 부피의 수축현상이므로 광섬유 전 방향(r,θ,z)으로 힘을 가하게 되지만, 기계적 잔류응력은 인출 시 인장력을 사용하므로 광섬유 길이방향으로의 일차적인 회복력에 의한 긴장(strain)이 발생하고, 인출 후 광섬유의 전 방향으로 힘의 균형을 이루는 잔류응력을 만들게 된다.In particular, in the case of mechanical residual stress, the shrinkage force is linearly determined after the withdrawal depending on how much tensile force is applied during withdrawal. In addition, thermal residual stress is a contraction of the volume, so it exerts a force in the whole direction of the optical fiber (r, θ, z), but mechanical residual stress uses the tensile force at the time of extraction, so strain due to the primary recovery force in the longitudinal direction of the optical fiber This occurs, and after drawing out, it creates a residual stress that balances the force in all directions of the optical fiber.

도 1(a)는 응력을 비대칭적으로 가할 부분에 인과 불소 첨가물질을 도핑한 편광유지 광섬유를 인출할 때 받게 되는 기계적인 잔류응력의 광섬유 길이방향의 힘을 도시한 것이다. 잔류응력은 인출할 때 가하는 인출인장력에 선형적으로 비례하여 증가한다. ①은 두 물질의 첨가 영역을 나타내며 압축력(compression)을 받을 것으로 기대된다. 따라서 첨가물질이 없는 실리카 클래딩 영역②는 인장력(tension)을 받을 것이다. 이는 일반적으로 열적 잔류응력의 경우, 영역①이 인장력을 받고 영역②가 압축력을 받는 것과는 대조적이다. 일반 광섬유에 대한 두 잔류응력의 도핑영역간의 힘의 방향설명은 위의 참고 문헌에 자세히 설명되어 있다.Figure 1 (a) shows the strength of the optical fiber in the longitudinal direction of the mechanical residual stress received when withdrawing the polarization-maintaining optical fiber doped with phosphorus and fluorine-added material to the portion to apply the stress asymmetrically. The residual stress increases linearly with the pull-out force applied at the withdrawal. ① indicates the addition area of the two materials and is expected to be compressed. Thus, the silica cladding region ② without additives will be subjected to tension. This is generally in contrast to thermal residual stress, where region ① is under tension and region ② is under compressive force. A description of the direction of the force between the doped regions of two residual stresses for a conventional fiber is described in detail in the above reference.

도 1(b)는 영역①의 광섬유 길이방향으로 압축력을 받을 때 나머지 방향으로 인접 영역에 가해지는 힘을 도시한 것이다. 광섬유 길이방향으로 압축긴장 (compressive strain)이 발생했으므로 이에 대한 부피보상효과로 나머지 방향에서도 인접영역에 압축력을 발생시킨다. 압축력을 받을 영역에 코어가 위치해 있으므로 ③방향으로 압축력을 받을 것이므로 열적 잔류응력의 경우와 반대로 힘을 받는 것이 된다. 열적 잔류응력의 경우 ③방향으로 응력에 의한 광탄성효과 때문에 slow axis가 발생되지만, 기계적인 잔류응력으로 유도된 경우 이와 반대로 fast axis가 발생될 것으로 기대된다.Figure 1 (b) shows the force applied to the adjacent region in the remaining direction when the compressive force in the longitudinal direction of the optical fiber of the region ①. Since compressive strain occurred in the longitudinal direction of the optical fiber, the compressive force is generated in the adjacent area in the remaining direction by the volume compensation effect. Since the core is located in the area to receive the compressive force, it will receive the compressive force in the direction of ③, so it is subjected to the force as opposed to the thermal residual stress. In the case of thermal residual stress, the slow axis is generated due to the photoelastic effect of the stress in the direction of ③, but the fast axis is expected to occur in the case of induced by mechanical residual stress.

열적 잔류응력을 최소화시키고 기계적 잔류응력을 극대화시키기 위한 도핑으로써 인과 불소의 첨가를 예시하였는데 그 이유는 도 2를 이용하여 구체적으로 설명될 수 있다. 도 2는 열적으로 유도되는 잔류응력의 크기를 결정하는 요소인 열팽창계수와 농도에 따른 굴절률 변화 경향을 각 첨가물들에 따라 그래프로 나타낸 것이다. 보로 실리케이트(borosilicate) 유리의 경우 도핑농도를 증가시킬수록 열팽창계수는 증가하고 반면 굴절률은 낮추는 경향을 보인다. 따라서 열적 잔류응력 유도로 편광유지 광섬유를 제조하는 경우 그 효과는 크지만 반면 극심한 굴절률 변화를 겪게 된다. 이와는 대조적으로 인과 불소를 첨가하는 경우 도 2에서 도시한 바와 같이 농도를 증가시켜도 두 물질간의 열팽창계수와 굴절률의 변화가 서로를 보상시켜 주기 때문에 변화량이 매우 적고 단지 유리점도만 낮출 수 있다. 이로써 비대칭 잔류응력 발생영역의 굴절률을 클래딩 영역의 굴절률과 일치시키는 목적과 열팽창 계수를 클래딩 영역인 무 첨가 실리카 유리와 거의 동일하게 맞추는 것이 가능해진다.The addition of phosphorus and fluorine is illustrated as a doping to minimize thermal residual stress and maximize mechanical residual stress, which can be explained in detail using FIG. 2. 2 is a graph illustrating the change in refractive index according to the coefficient of thermal expansion and concentration, which is a factor for determining the magnitude of thermally induced residual stress. In the case of borosilicate glass, the coefficient of thermal expansion increases while the refractive index decreases as the doping concentration increases. Therefore, when the polarization-maintaining optical fiber is manufactured by thermal residual stress induction, the effect is great, but the refractive index is changed. In contrast, when phosphorus and fluorine are added, even if the concentration is increased as shown in FIG. 2, since the change in the coefficient of thermal expansion and the refractive index between the two materials compensates each other, the change amount is very small and only the glass viscosity can be lowered. This makes it possible to match the refractive index of the asymmetrical residual stress generation region with the refractive index of the cladding region and the thermal expansion coefficient to be almost equal to that of the additive-free silica glass as the cladding region.

결과적으로 기계적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유는 비대칭 굴절률 구조를 갖지 않으면서 단지 광탄성(photoelastic)효과에 의한 복굴절 현상만 갖게 된다. 도 3은 열적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유와 기계적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유의 굴절률 구조를 비교하여 도시한 것이다.As a result, the polarization-maintaining optical fiber using mechanical residual stress does not have an asymmetric refractive index structure, but only the birefringence phenomenon due to the photoelastic effect. FIG. 3 shows a comparison of refractive index structures of a polarization maintaining optical fiber using thermal residual stress and a polarization maintaining optical fiber using mechanical residual stress.

이와 같은 구조를 만들기 위하여 본 발명에 앞서 선행되었던 발명들에서 제시되었던 모재 제조 방법과 유사한 방법을 사용하였다. 도 4는 모재 제조과정에서 편광 유지 광섬유의 첨가물 영역에 따른 비대칭 구조를 형성하기 위해 필요한 중요 공정들을 개략적으로 도시한 것이다. 먼저 도 4①에서처럼 Modified Chemical- Vapor Deposition(MCVD) 공정을 이용하여 일반 광섬유 모재 제조법과 동일하게 모재를 제작한다. 이때 코어에는 실리카 유리의 첨가물로써 바람직하기로는 Ge를 도핑시킨다. 즉, GeO2+ SiO2조성의 유리가 형성된다. 두 번째 외곽 층에 비대칭 응력을 가하기 위한 영역으로 인과 불소를 첨가물로 도핑시킨다. 따라서 P2O5+ F + SiO2유리층이 형성된다. 마지막 외곽층은 기질층(substrate)으로써 실리카 유리 튜브로부터 만들어진다. 그 다음 공정으로써 비대칭 응력을 가할 영역의 형태를 만들어 주기 위하여 도 4②에 도시된 것과 같이 모재의 양옆을 잘라낸다. 이 후 표면을 고르게 하기 위해 폴리싱과 같은 표면 가공처리가 추가될 수 있다. 이렇게 만들어진 중간단계의 비대칭 도핑 첨가 모재의 양옆에 첨가물이 없는 순수 실리카 유리를 붙이기 위해 앞에서의 설명과 유사하게 반원형태의 두 실리카 유리봉(도 4③,④)을 만들어 도 4⑤에서 도시된 것과 같이 용융 접합시키거나 도 4⑥과 같이 실리카 튜브 안에 끼워 넣어 용융접합시키는 방법으로 모재를 형성할 수 있다.In order to make such a structure, a method similar to the method of manufacturing a base material which was presented in the inventions prior to the present invention was used. FIG. 4 schematically illustrates important processes required to form an asymmetrical structure according to the additive region of the polarization maintaining optical fiber in the base material manufacturing process. First, as shown in Fig. 4①, using a Modified Chemical- Vapor Deposition (MCVD) process to produce a base material in the same manner as the general optical fiber base material manufacturing method. At this time, the core is preferably doped with Ge as an additive of silica glass. That is, glass of GeO 2 + SiO 2 composition is formed. Phosphorus and fluorine are doped with additives in the second outer layer to provide an asymmetric stress. Thus, a P 2 O 5 + F + SiO 2 glass layer is formed. The last outer layer is made from a silica glass tube as a substrate. The next step is to cut off both sides of the base material as shown in Fig. 4② to form a region to be subjected to an asymmetric stress. Thereafter, a surface treatment such as polishing may be added to even the surface. Similarly to the above description, two semi-circular silica glass rods (Figs. The base material may be formed by bonding or fusion bonding into a silica tube as shown in FIG. 4⑥.

상기 과정을 통해 제조된 모재는 인과 불소가 첨가된 영역이 열팽창계수가 크지 않으므로 잔류응력을 크게 유발시키지 않기 때문에 외부충격에 상대적으로 강하고 안정적이다. 이와 유사한 방법으로 클래드 펌프 희토류 도프 증폭용 편광 유지 광섬유를 제조할 수 있다. 기존에 제시되었던 이와 같은 광섬유는 다음과 같은 문헌에서 찾아볼 수 있다.{D. A. V. Kliner et al, "Polarization-maintaining amplifier employing double-clad bow-tie fiber," Opt. Lett. vol. 26, 184-186 (2001)}.The base material prepared through the above process is relatively strong and stable against external impact because the phosphorus and fluorine-added regions do not have a large thermal expansion coefficient and thus do not cause significant residual stress. In a similar manner, polarization-retaining optical fibers for clad pump rare earth dope amplification can be prepared. Such optical fibers, which have been proposed previously, can be found in the following literature. A. V. Kliner et al, "Polarization-maintaining amplifier employing double-clad bow-tie fiber," Opt. Lett. vol. 26, 184-186 (2001)}.

상기 문헌에서는 bow-tie 형의 편광유지 광섬유 형태에 코어에 Yb을 첨가한 형태이고, 비대칭 응력 유발 부분은 붕소가 도핑되었다. 클래드 펌프의 특성상 저지수 폴리머(low index polymer)코팅을 수행하여 클래딩 영역에 펌프빔이 도파 되도록 하는데 붕소가 도핑된 부분의 낮은 굴절률에 의해 구조상 클래드 나선 모드(clad helical mode)가 쉽게 도파되도록 하기 곤란하다. 이런 점을 본 발명에서 제시한 도핑방법과 잔류응력 발생 방법을 이용하여 클래드 나선 모드가 쉽게 도파되도록 하면, 이 증폭 광섬유의 증폭특성을 향상시키는데 큰 도움을 줄 것으로 생각된다. 그 구현 형태는 도 5에서 제시된 바와 같다.In the above document, Yb is added to the core in a bow-tie polarization-maintaining optical fiber, and boron is doped in the asymmetric stress-inducing part. Due to the characteristics of the clad pump, low index polymer coating is performed to guide the pump beam to the cladding region, and it is difficult to easily clad the clad helical mode due to the low refractive index of the boron-doped portion. Do. In this regard, if the clad spiral mode is easily guided using the doping method and the residual stress generation method proposed in the present invention, it is considered to be a great help to improve the amplification characteristics of the amplified optical fiber. Its implementation is as shown in FIG. 5.

우선 도 5①에서 보는 바와 같이 희토류 물질과 Ge가 첨가된 코어 그리고 불소와 인이 첨가된 안쪽 클래딩을 갖는 모재를 MCVD 공정을 통해 제조한다. 그 다음과정인 도 5②에서와 같이 양옆을 절단한 후 직사각형(도 5③에 도시됨)의 단면구조를 갖는 두 실리카 유리 봉을 접합시키고, 이 모재를 인출할 때 강한 인출력을 유발시키면서 저지수 폴리머로 코팅을 하면 편광 유지형 클래드 펌프 증폭용 광섬유를 제조할 수 있다.First, as shown in FIG. 5①, a base material having a rare earth material, a core to which Ge is added, and an inner cladding to which fluorine and phosphorus are added is manufactured through an MCVD process. Next, after cutting both sides as shown in Fig. 5②, two silica glass rods having a rectangular cross-sectional structure are bonded together, and a low water-containing polymer while inducing strong pullout power when the base material is taken out When coated with a polarizing retention clad pump amplification optical fiber can be produced.

본 발명에 의하면 고농도의 붕소를 도핑하지 않고서도 굴절률의 구조를 원통대칭 계단구조로 형성할 수 있고, 비대칭적으로 응력을 코어에 가할 수 있어 클래딩 영역을 활용할 수 있는 광섬유를 제조할 수 있다. 이에 따라 기존에 적용이 불가능했던 편광유지 광섬유를 이용한 LPFG, 모드 컨버터, 클래드 펌프 PM 증폭기, 스페셜 화이버 커플러 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.According to the present invention, a structure of refractive index can be formed in a cylindrical symmetrical step structure without doping a high concentration of boron, and an asymmetrical stress can be applied to the core to manufacture an optical fiber that can utilize a cladding region. As a result, it is expected to be used for LPFG, a mode converter, a clad pump PM amplifier, and a special fiber coupler using polarization-maintaining optical fibers, which were not previously applicable.

모재는 잔류응력을 작게 받으므로 물리적으로 안정적이고, 공정의 편리성과비용절감의 효과를 가질 수 있다. 또한 산란에 의한 광손실이 적기 때문에 응력유발 영역을 코어와 가까이 근접시킬 수 있어 보다 효율적인 스트레스 분포를 조성할 수 있다.Since the base material receives small residual stress, it is physically stable and can have the effect of convenience and cost reduction. In addition, since the light loss due to scattering is small, the stress inducing region can be brought closer to the core, thereby creating a more efficient stress distribution.

또한 비대칭 응력 유발 영역이 굴절률 변화를 일으키지 않는다는 점을 착안하여 편광유지형 클래드 펌프 증폭용 광섬유를 제조하면 매우 효율적이며 저렴하면서도 크기가 작은 증폭기를 제조할 수 있다.In addition, considering that the asymmetric stress-inducing region does not cause a change in refractive index, manufacturing an optical fiber for polarizing clad pump amplification can produce a very efficient, inexpensive, and small-sized amplifier.

Claims (9)

편광유지형 광섬유에 있어서, 클래딩 영역내의 비대칭 잔류응력 발생영역으로서 열팽창계수 및 굴절율이 도핑농도와 양의 상관관계를 가지는 도핑물질과 음의 상관관계를 가지는 도핑물질이 도핑되어진 실리카층을 구비함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유A polarization-maintaining optical fiber comprising a silica layer doped with a doping material having a negative correlation with a doping material having a positive correlation with the doping concentration and a thermal expansion coefficient and refractive index as an asymmetric residual stress generating area in the cladding region. Polarization-retaining optical fiber 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 도핑 물질은 인 및 불소임을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유Polarization maintaining optical fiber characterized in that the doping material is phosphorus and fluorine 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 비대칭 잔류응력 발생영역의 굴절율을 클래딩 영역의 굴절율과 동일하게 함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유The refractive index of the asymmetric residual stress generating region is the same as the refractive index of the cladding region, the polarization maintaining optical fiber 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 비대칭 잔류응력 발생영역의 열팽창계수를 클래딩 영역의 굴절율과 동일하게 함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유Wherein the thermal expansion coefficient of the asymmetric residual stress generating region is equal to the refractive index of the cladding region. 편광유지형 광섬유의 제조방법에 있어서,In the method of manufacturing a polarization maintaining optical fiber, 코어의 외층에 열팽창계수 및 굴절율이 도핑농도와 양의 상관관계를 가지는 도핑물질과 음의 상관관계를 가지는 도핑물질이 도핑되어진 실리카층을 형성하는 단계와,Forming a silica layer doped with a doping material having a negative correlation with a doping material having a positive coefficient of thermal expansion and refractive index on the outer layer of the core; 상기 이종물질이 도핑된 실리카층의 외층에 실리카층을 형성하여 모재를 제조하는 단계와,Preparing a base material by forming a silica layer on an outer layer of the silica layer doped with the dissimilar material; 모재의 양측면을 절단하여 비대칭 잔류응력 발생영역을 성형하는 단계, 및Cutting both sides of the base material to form an asymmetric residual stress generating region, and 상기 성형된 모재의 양측에 클래딩 영역을 위한 실리카층을 형성하고 원하는 강도로 인출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유의 제조방법Forming a silica layer for the cladding region on both sides of the formed base material and withdrawing to a desired strength, characterized in that the manufacturing method of the polarization-maintaining optical fiber 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 도핑 물질은 인 및 불소임을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유의 제조방법Method for manufacturing polarization-retaining optical fiber, characterized in that the doping material is phosphorus and fluorine 제 5항 또는 제 6항에 있어서,The method according to claim 5 or 6, 상기 비대칭 잔류응력 발생영역의 굴절율을 클래딩 영역의 굴절율과 동일하게 함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유의 제조방법A method of manufacturing a polarization maintaining optical fiber, characterized in that the refractive index of the asymmetric residual stress generating region is the same as the refractive index of the cladding region. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,The method according to claim 5 or 6, 상기 비대칭 잔류응력 발생영역의 열팽창계수를 클래딩 영역의 굴절율과 동일하게 함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유의 제조방법A method of manufacturing a polarization-maintaining optical fiber, characterized in that the thermal expansion coefficient of the asymmetric residual stress generating region is equal to the refractive index of the cladding region 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 모재를 원하는 강도로 인출한 후 저 지수 폴리머로 외곽을 코팅하는 단계를추가로 포함함을 특징으로 하는 편광유지 광섬유의 제조방법The method of manufacturing a polarization maintaining optical fiber, characterized in that it further comprises the step of withdrawing the base material to the desired strength and coating the outer surface with a low index polymer.
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