KR100464341B1 - 광자결정 광섬유 커플러 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광자결정 광섬유의 고유한 광학적 성질을 유지하며 빛을 분배할 수 있는 광자결정 광섬유를 이용한 커플러 및 그 제조방법에 관한 것이다. 광자결정 광섬유 커플러는 각각 코어부 및 상기 코어부를 감싸면서 형성된 길이 방향의 다수의 구멍을 포함하는 클래드부를 구비하는 적어도 둘 이상의 광자결정 광섬유와, 상기 광자결정 광섬유의 길이방향 일부를 따라 형성된 적어도 하나의 커플링 영역을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 광자결정 광섬유 커플러의 제조방법이 개시되어 있다.

Description

광자결정 광섬유 커플러 및 그 제조방법{PHOTO-CRYSTAL FIBER COUPLER AND METHOD FOR FABRICATING THEREOF}

본 발명은 광 커플러에 관한 것으로, 특히 광자결정 광섬유의 고유한 광학적 성질을 유지하며 빛을 분배할 수 있는 광자결정 광섬유 커플러 및 그 제조방법에 관한 것이다.

광자결정 광섬유(Photonic-Crystal Fiber)는 광섬유의 특별한 한 형태이다. 일반 단일모드 광섬유는 유리에 저마늄(Germanium) 또는 인(Phosphorus)을 첨가하여 코어로 사용한다. 반면, 광자결정 광섬유는 도 1에 도시된 바와 같이 융합된 실리카 유리(2)와 같은 단일 고체상의 실질적으로 투명한 소재로 만들어지며, 그 내부에 섬유의 전체 길이를 따라 섬유축에 평행하게 연장되어 뻗어있는 주기적 배열의 공기 구멍(1)이 삽입되어있다. 규칙적인 배열 형태 내에 있어서 중앙의 공기 구멍을 없애주는 것으로 일반 광섬유에 있어서의 코어로서의 역할을 대신하게 되어 유리 이외의 첨가물로 인한 광 손실을 줄일 수 있는 가능성이 있다.

광자결정 광섬유는 기술적으로 많은 중요한 특성을 가지고 있다. 예컨대, 광범위한 파장 범위에 걸쳐 단일 모드를 지원할 수 있으며, 큰 모드 영역을 가질 수 있으므로 높은 광 파워(Optical Power)를 전송할 수 있고, 1.55㎛의 원격통신 파장에서 큰 상분산을 나타낼 수가 있다. 또한, 비선형성의 증대와 감소 및 편광조절 소자 등으로 부각되고 있다. 따라서, 이와 같이 많은 기능성을 가지고 있는 광자결정 광섬유에 대한 특성이 속속 보고되면서 가까운 미래에 광자결정 광섬유가 광통신 및 광산업에 광범위하게 적용될 것으로 기대된다.

이러한 광자결정 광섬유는 일반 광섬유의 코어에 해당하는 중심부분에 순수한 실리카 유리 봉을 위치시키고, 이 주위를 다층의 실리카 유리 튜브를 최대한 빈 공간이 없도록 둘러싸 일반 광섬유의 클래딩 부분에 해당하는 튜브층을 형성하도록 한 다음, 이들을 함께 융합시키면서 하방으로 인출하는 것에 의해서 광섬유로 제조될 수 있다.

한편, 광 커플러는 광신호를 분기하거나 결합하는 수동소자이다. 현재까지 가장 널리 쓰이는 광섬유를 이용한 광 커플러는 용융-인장형(fused) 커플러이며, 여러 개의 광섬유를 함께 꼬아 동시에 용융-인장함으로써 제조된다. 광섬유를 포함하는 모든 유전체형 단일모드 도파로는 코아 외부로도 지수함수적으로 감소하는 에반슨트(Evanescent) 필드결합방식을 이용한다. 따라서, 두 개의 단일모드 도파로를 서로 인접시킬 경우 인접한 코아의 에반슨트 필드에 의하여 도파모드가 여기되며, 광신호의 결합이 일어나게 된다. 이러한 형태의 결합을 에반슨트 필드결합이라고 하며, 용융-인장형 커플러는 이러한 결합방식을 이용한다.

그러나, 일반 단일모드 광섬유는 1.3㎛ 이하의 파장에서는 다중모드가 된다. 따라서, 대역폭의 제약, 잡음 등의 문제로 인해 1.3㎛보다 짧은 근적외선 또는 가시광선의 파장을 광섬유 및 광 커플러가 기초가 되는 광통신 소자에는 사용하기 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 광자결정 광섬유의 고유한 광학적 성질을 유지하면서 광 신호를 분배할 수 있는 광자결정 광섬유 커플러 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 넓은 파장영역에 걸쳐 단일모드를 제공할 수 있는 광자결정 광섬유 커플러 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광자결정 광섬유 커플러는 각각 코어부 및 상기 코어부를 감싸면서 형성된 길이 방향의 다수의 구멍을 포함하는 클래드부를 구비하는 적어도 둘 이상의 광자결정 광섬유와, 상기 광자결정 광섬유의 길이방향 일부를 따라 형성된 적어도 하나의 커플링 영역을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광자결정 광섬유 커플러의 제조방법에 있어서, 각각 다수의 길이 방향의 구멍을 갖는 적어도 둘 이상의 광자결정 광섬유를 용융-인장하여 결합하며, 상기 용융-인장은 일측 광자결정 광섬유에 통하는 빛이 타측 광자결정 광섬유로 넘어갈 때가지 계속해서 용융-인장함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 광자결정 광섬유의 단면을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 사용된 두 가지 광자결정 광섬유 단면의 전자현미경 사진,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 4개의 공기구멍을 가진 2가닥의 광자결정 광섬유를 이용하여 제조된 커플러의 구성을 나타내는 도면,

도 4는 도 3의 커플링영역의 단면을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 커플러의 인장 길이에 따른 제1 광자결정 광섬유의 출력특성(A)과 제2 광자결정 광섬유의 출력특성(B)을 나타내는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 광자결정 광섬유 커플러를 제조하기 위한 용융-인장장치의 구성을 나타내는 개략도,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 여러 층의 공기구멍을 가진 광자결정 광섬유 커플러의 전송특성을 나타내는 도면,

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광자결정 광섬유 커플러의 파장에 따른 광결합 비율을 나타내는 도면.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도 2 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 사용된 두 가지 광자결정 광섬유 단면의 전자현미경 사진을 나타낸다.

도 2a는 공기구멍의 크기가 약 17㎛이고, 공기구멍간의 간격이 약 37㎛인 4개의 공기구멍을 가진 광자결정 광섬유의 단면이고, 도 2b는 공기구멍의 크기가 약 4㎛이고, 공기구멍간의 간격이 약 10㎛인 5층(5 stack)의 공기구멍을 가진 광자결정 광섬유의 단면을 나타낸다.

광자결정 광섬유는 공기구멍의 크기나 공기구멍간의 간격에 따라 광학적 특성을 달리하므로, 이들을 적절히 조절함으로써 다양한 특성을 가진 광학 소자를 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 도 2a에 도시된 4개의 공기구멍을 가진 2가닥의 광자결정 광섬유를 이용하여 제조된 커플러의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이 광자결정 광섬유 커플러는 제1 및 제2의 두 가닥의 광자결정 광섬유(10, 20)와 상기 두 가닥의 광자결정 광섬유가 융합되어 형성된 커플링영역(30)으로 구성된다. 이때, 커플링영역(30)의 단면은 도 4에 도시된 바와 같다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 광자결정 광섬유(10)로 진행하는 광 신호는커플링영역(30)을 통해 제2 광자결정 광섬유(20)로 결합된다. 이때, 결합비율은 커플링영역(30)의 길이(L)에 의해 결정되는데, 본 예에서는 도 5에 도시된 바와 같이 커플링영역(30)의 길이(L)를 2.8㎜ 인장하였을 경우 커플링이 시작되어, 커플링영역(30)의 길이(L)를 7.2㎜ 인장하였을 경우 5:5의 결합 비(coupling ratio)를 얻을 수 있었다.

도 5는 커플러의 인장 길이에 따른 제1 광자결정 광섬유의 출력특성(A)과 제2 광자결정 광섬유의 출력특성(B)을 나타내는 도면으로, 이를 통해 커플링영역의 길이에 따른 결합 비를 알 수 있다.

도시하지는 않았으나, 도2b에 도시된 바와 같은 5층(five stack)의 광자결정 광섬유로 커플러를 제조할 경우는, 커플링영역의 길이를 6㎜ 인장하였을 때 커플링이 시작되는데, 이는 공기구멍의 수가 4개인 경우보다 결합길이가 길어야 함을 의미한다.

도 6은 광자결정 광섬유를 이용하여 커플러를 제조하기 위한 용융-인장장치의 구성을 나타내는 개략도로써, 이를 통해 광자결정 광섬유 커플러 제조과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 4개의 공기구멍을 갖는 125㎛ 외경의 광자결정 광섬유 2가닥을 준비한다. 열을 가하는 광섬유 측면의 코팅을 약 3㎝정도 벗겨내고 두 가닥의 광자결정 광섬유를 함께 꼬아서 인장스테이지(40)에 올려놓고 수소 소형 토치(50) 또는 CO₂레이저로 열을 가하면서 화살표 방향으로 인장한다. 이때, 인장 정도에 따라 결합률이 달라지므로, 입력 광 신호에 대한 출력특성을 살피면서 인장정도를 결정한다. 본 예에서는 발광다이오드(60)로 1.3㎛와 1.5㎛를 중심파장으로 하는 넓은 파장특성을 보이는 광 신호를 한 가닥의 광자결정 광섬유(10)에 입력한 다음 광 스펙트럼 분석기(70)를 통해 각각의 출력 단(12, 22)으로 출력되는 광 신호의 전송스펙트럼을 분석하여 인장정도를 결정한다.

이때, 사용된 광자결정 광섬유의 길이는 약 1.5m이며, 양 끝단을 베어 파이버 어댑터(bare fiber adapter)(80)를 사용하여 발광다이오드(60)와 광 스펙트럼 분석기(70)에 장착한다. 이와 같이 베어 파이버 어댑터를 이용하여 직접 광자결정 광섬유에 장착하여 입력단 및 출력단에 접속함으로써 결합손실을 최소로 줄일 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 용융-인장 전의 광자결정 광섬유의 외경은 125㎛이지만, 인장 후의 광자결정 광섬유의 외경은 30㎛가 되어 1/4로 줄어듦을 알 수 있다. 또한, 두 가닥의 광자결정 광섬유는 용융-인장 후에도 잘 결합되어 있음을 확인할 수 있다.

도 7은 여러 층의 공기구멍을 가진 광자결정 광섬유 커플러의 전송특성을 나타낸 스펙트럼이다. 중심파장이 1.3㎛와 1.5㎛인 넓은 파장특성을 보이는 발광다이오드를 광원으로 사용하였으며, 광자결정 광섬유 자체의 전송손실을 0.2dB/m으로 크게 줄일 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 광자결정 광섬유 커플러의 파장에 따른 광결합 비율을 나타내는 도면이다. 1550nm에서 4:6정도의 결합 비(coupling ratio)를 가짐을알 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 광자결정 광섬유 커플러는 일반적인 단일모드 광섬유 커플러가 가지는 광 분배나 파장분할 기능뿐만 아니라, 광자결정 광섬유가 가지는 많은 특성을 그대로 유지하면서 광 신호를 두 개 또는 그 이상의 광섬유로 일정한 비율로 분배할 수 있다.

또한, 넓은 파장영역에 걸쳐 단일모드 특성을 유지하므로 기존에 사용하기 어려웠던 1.3㎛ 이하의 파장에서도 광섬유 커플러가 기초가 되는 측정 및 광통신분야의 소자에 광범위하게 적용될 수 있다.

Claims (7)

1. 각각 코어부 및 상기 코어부를 감싸면서 형성된 길이 방향의 다수의 구멍을 포함하는 클래드부를 구비하는 적어도 둘 이상의 광자결정 광섬유와;

   상기 광자결정 광섬유의 길이방향 일부를 따라 형성된 적어도 하나의 커플링 영역을 포함하여 구성되며,

   상기 구멍의 수, 크기 또는 상기 구멍간의 간격에 따라 서로 다른 광학적 특성을 가지며, 상기 구멍의 크기가 0.1㎛ 내지 500㎛, 상기 구멍간의 간격이 1㎛ 내지 1000㎛, 상기 구멍의 수가 3개 내지 1000개로 구성된 것을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 커플러.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광자결정 광섬유는

   코어부와 클래드부가 실리카 유리물질로 구성된 것을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 커플러.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링 영역의 길이에 따라 상기 광자결정 광섬유 커플러의 광 결합비율이 결정되는 것을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 커플러.
4. 광자결정 광섬유 커플러의 제조방법에 있어서,

   각각 다수의 길이 방향의 구멍을 갖는 적어도 둘 이상의 광자결정 광섬유를 용융-인장하여 결합하며,

   상기 용융-인장은 일측 광자결정 광섬유에 통하는 빛이 타측 광자결정 광섬유로 넘어갈 때가지 계속해서 용융-인장함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 커플러 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 용융-인장 중 용융은 수소불꽃에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 커플러 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 용융-인장 중 용융은 CO₂레이저에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 커플러 제조방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 인장 길이를 조절함으로써 상기 광자결정 광섬유 커플러의 광 결합비율을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 커플러 제조방법.