KR100515130B1 - 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고출력 광전원의 세기를 조절함에 있어 안정한 동작 특성을 갖는 전 광섬유 구조의 가변 광감쇄기에 관한 것이다.

본 발명은 광감쇄에 적합한 융착 광섬유 커플러를 제작하고 이를 광섬유 축 상의 정밀한 수평 운동이 가능하도록 설계된 기계장치에 부착하여 두 접점 벤딩(bending)을 가하는 구조로써, 융착 광섬유 커플러의 외형적 구조로 인해, 가는 커플링 구간에 효율적인 스트레스가 가해지고 또한 그 구간에서 도파로 변형에 의해 커플링 효율이 변화됨으로써 입력광을 융착 광섬유 커플러의 또 다른 출력단으로 분배하여 광감쇄를 얻는 원리이다.

융착 광섬유 커플러는 단일모드 광섬유(SMF: single-mode fiber)로 제작되므로 광섬유와의 연결시 삽입 손실이 거의 없고 가변 광감쇄기 자체의 삽입 손실 또한 매우 낮으며 분배된 광은 커플러의 다른 출력 단에서 모니터링(monitoring)되어 지는 장점을 갖는다.

이러한 전 광섬유 구조의 가변 광감쇄기는 광섬유 정렬상의 난점을 배제시키고 고출력용에 적합하며 간단한 구조로 인하여 저가의 생산성을 확보할 수 있다.

Description

융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기{High power variable optical attenuator based on fused fiber coupler}

본 발명은 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광 감쇄에 적합한 융착 광섬유 커플러를 광섬유 축상의 정밀한 수평운동이 가능한 기계장치에 부착하여 두 접점 벤딩을 가하는 구조의 가변 광감쇄기에 관한 것이다.

최근에 파장분할다중화(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 네트워크의 복잡성이 날로 더해감에 따라, 다양한 세기의 광신호가 사용되어 지고 상기 광신호의 세기에 대한 다양한 요구 조건을 충족시키기기 매우 힘들어 졌다.

한편, 가변 광감쇄기는 광신호의 세기를 모니터링(monitoring)하여 제어함으로써 다양한 요구 조건을 충족시킬 수 있다.

또한, 가변 광감쇄기는 수신단의 임계값을 넘는 광신호를 제어하여 수신단의 고장을 미연에 방지하는 용도로 사용되기도 한다.

그 외의 용도로 가변 광감쇄기는 어븀첨가광섬유증폭기(EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier)에서 이득 안정화를 위해 사용되고 고출력 광펌프(pump) 전원을 사용하는 라만 증폭기(Raman Amplifier)에서 이득 평형화를 위해 펌프 전원을 제어하는데 사용된다.

기존의 광섬유 형태의 가변 광감쇄 기술로 경사면과 에어 갭(air gap)을 이용하는 기술과 작은 셔터를 이용하여 일렬로 정렬된 두 광섬유 사이에서 광의 경로를 가로막는 MEMS기술이 제안되어 왔다.

이러한 형태의 가변 광감쇄기는 높은 감쇄량을 얻을 수 있으나, 자체의 삽입 손실 및 반사 손실이 높고 광섬유 정렬상의 난점을 가지게 된다.

한편 PLC(Planar Lightwave Circuits) 가변 광감쇄기는 저가이고 낮은 전력 소모의 특성을 내포하지만 적은 감쇄량과 광섬유와의 연결시 큰 손실을 갖는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 융착 광섬유 커플러를 이용하여 삽입 손실이 낮고, 단일모드 광섬유와의 결합이 용이하며, 고출력 광원의 적용시 안정한 특성을 갖는 저가 생산이 가능한 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 본 발명에서 사용되는 융착 광섬유 커플러의 제작을 최적화하여 두 접점 벤딩시 축상변위 150㎛ 이내에서 최대 감쇄량을 얻도록 하여 높은 물리적 내구성을 갖도록 하되, 융착 광섬유 커플러의 두 출력포트 중 한 출력포트는 주 출력포트로 사용하고 다른 쪽 출력포트는 기기의 자동 제어를 위한 모니터링 텝(monitoring tap)으로 사용되도록 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전 광섬유 구조의 가변 광감쇄기에 있어서;

단일 입력단과 두개의 출력단을 가지는 융착 광섬유 커플러가, 광섬유 홀더를 축상으로 수평이동시키는 축상 운동수단에 연결된 이동 광섬유 홀더와 고정 광섬유 홀더 사이에 장착됨을 특징으로 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기를 제공하고자 한다.

본 발명은 또한 전 광섬유 구조의 가변 광감쇄기에 있어서;

융착 광섬유 커플러가 축상 운동수단과 연결된 이동 제1광섬유 홀더와 고정 제1광섬유 홀더 사이에 장착되고, 다른 융착 광섬유 커플러가 상기 축상 운동수단과 연결된 이동 제2광섬유 홀더와 고정 제2광섬유 홀더 사이에 장착되며, 상기 고정 제1광섬유 홀더와 상기 고정 제2광섬유 홀더가 연결되어 2개의 융착 광섬유 커플러가 직렬 연결되되, 상기 융착 광섬유 커플러는 하나의 입력단을 가지고, 상기 다른 융착 광섬유 커플러는 2개의 출력단을 가짐을 특징으로 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기를 제공하고자 한다..

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 융착 광섬유 커플러를 이용한 가변 광감쇄기의 개략적인 구조도이다.

단일 입력단(50)과 두개의 출력단(60a,60b)을 가지는 융착 광섬유 커플러(10a)를 축상 운동수단(20)과 연결된 광섬유 홀더(30a)와 고정된 광섬유 홀더(40a)에 장착시킨 구조로 이루어진다.

상기 융착 광섬유 커플러(10a)는 단일모드 광섬유로 제작되어 괌섬유와의 연결시 손실이 거의 없다.

상기 융착 광섬유 커플러의 커플링 구간(10a)의 도파로 특성에 의해 광전력 분배 효율이 정해지는데, 두 출력단(60a,60b)의 광 전력 P₁, P₂는 다음 수학식 1과 같이 분배되어진다. , 위 식에서 P₀는 입력단(50)에서의 광전력이고, 커플링 구간(10a) -w<z<w에서 커플링 상수 C에 의존한다. 커플링 상수(C)는 수학식 2로 표현된다. 두 광섬유 코어(core)의 반경(ρ)과 그것들 사이의 거리(d)는 제작 공정시 가열 온도, 늘이는 정도에 따라 결정되고, U와 W는 광섬유의 transverse wave number이다. 그리고 K₀, K₁은 제 이종의 modified Bessel 함수이다. 여기서 상대적 굴절률 차(Δ)와 normalized frequency(V)는 수학식 3과 4로 표현된다. 여기서, n_co, n_cl는 각각 광섬유의 코어(core)와 클레딩(cladding)의 굴절율이고 λ는 파장을 나타낸다. 위 수학식들로부터 커플링 상수는 상대 굴절률 차(Δ)의 함수가 됨을 알 수 있다.축상의 스트레스에 의한 광섬유의 굴절률 변화는 수학식 5로 표현된다. 위 식에서 n은 스트레스를 받지 않는 광섬유의 굴절률이고 n_r, n_q, n_z는 방사방향, 접선 방향, 축방향의 굴절이며 Ca와 Cb는 정상, 비정상 광선의 광탄성계수이다. 또한 r, q, z는 각 방향의 스트레스 성분이다. 본 발명의 실시예와 같이 융창 광섬유 커플러(10a)에 두 접점 벤딩을 가할 경우 z≫r, q이 되어 축 방향의 스트레스 성분이 주성분이 된다. 따라서 수학식 5는 다음 수학식 6으로 표현될 수 있다. 광섬유 내의 빛의 진행에 있어서 방사 방향의 굴절율은 도파로 특성을 결정하는 가장 중요한 요소로서 광탄성 계수 C_b의 값이 -4.2×10^-6MPa^-1이므로 n_r은 스트레스가 증가함에 따라 감소하게 된다. 또한 본 발명의 실시 예와 같이 맞대어진 양각 구조의 커플링 구간(10a)의 특성에 의해 축상의 스트레스는 커플링 구간에 효과적으로 작용하게 되어 증폭효과를 얻는다. 이로 인해 바뀐 굴절률은 커플링 상수(C)를 변화시키고 또한 출력단의 광전력 분배 효율을 변화시키게 된다.

본 발명의 실시예에서는 융착 광섬유 커플러(10a)가 1470nm 파장에서 동작하도록 제작되어 졌다.

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도 2는 융착 광섬유 커플러의 두 접점 벤딩에 의한 광전력 분배의 원리를 보여준다.

도 2의 상부 도면에서와 같이 입력단(6)으로 입사된 광전력은 외부 조작이 없는 융착 광섬유 커플러(10a)를 통과할 때에는 출력단(60a)로 모두 출력되지만, 도 2의 하부 도면에서와 같이 두 접점 밴딩이 가해져서 변형된 융착 광섬유 커플러(10a)를 통과하게 되면 감시단(70)에 분배된 광전력이 출력된다.

이에 따라 출력단(60a)에는 광전력이 감쇄되어 나오고, 감시단(70)에는 감쇄된 양만큼의 광 전력이 출력되므로 모니터링 텝(monitoring tap)으로 사용된다.

즉, 본 발명의 융착 광섬유 커플러의 두 출력단(60a,60b)중 하나의 출력단(60a)은 주출력으로 사용되고 다른 출력단(60b)은 감시단(70)이 되어 기기의 자동 제어를 위한 모니터링 탭으로 사용된다.

상기 출력단(60a)에서 광전력의 최대 감쇄량은 축상 운동수단(20)과 연결된 광섬유 홀더(30a)의 축상 변위 150㎛로 얻어진다.

이러한 짧은 축상 운동거리는 본 발명에 따른 가변 광감쇄기의 물리적 내구성을 확보한다.

본 발명의 실시예에 따른 융착 광섬유 커플러(10a)는 200㎛의 축상 운동거리에서 백만 번의 자동 왕복운동 후에도 초기의 특성을 보임으로써 높은 물리적 내구성이 확인되었다.

도 3은 본 발명에 사용되는 융착 광섬유 커플러의 전송 스펙트럼과 여러 축상 변위(0㎛, 40㎛, 80㎛, 120㎛, 160㎛)에 따른 전송량을 보여준다.

본 발명에 의한 가변 광 감쇄기의 삽입 손실은 융착 광섬유 커플러에서 기인되는 바, 0.2dB 이하의 매우 낮은 삽입 손실을 갖게 됨을 알 수 있다.

도 4는 축상 변위, 0, 100, 160㎛에서 1470nm 파장에서 22dBm의 최대 전력치를 가지는 EDFA용 펌프 LD의 광전력 감쇄 특성을 보여준다.

본 발명에서 제안하는 가변 광감쇄기는 전 광섬유 구조이기 때문에 고출력 광전력에서도 안정한 동작 특성을 보인다.

도 5는 축상 운동수단(3)과 연결된 광섬유 홀더(30a)의 축상 변위에 따른 출력단과 감시단의 감쇄 특성을 도시한 것으로, 두 곡선의 대칭성을 확인할 수 있다.

특성 곡선은 1470nm의 파장에서 측정된 결과이고 150㎛의 짧은 축상 변위에서 34dB의 최대 감쇄량이 얻어짐을 알 수 있다.

이러한 감쇄 특성은 융착 광섬유 커플러(10a)를 특정 파장에 맞추어 제작함으로써 원하는 파장에서도 얻어질 수 있다.

도 6은 두개의 융착 광섬유 커플러를 직렬 연결하여 감쇄량을 향상하기 위한 구조이다.

융착 광섬유 커플러(10a)를 축상 운동수단(20)과 연결된 광섬유 홀더(30a)와 고정된 광섬유 홀더(40a)에 장착시키고, 다른 융착 광섬유 커플러(10b)를 축상 운동수단(20)과 연결된 광섬유 홀더(30b)와 고정된 광섬유 홀더(40b)에 장착시키되, 상기 고정된 광섬유 홀더(40a)와 고정된 광섬유 홀더(40b)를 연결하고, 상기 융착 광섬유 커플러(10a)는 하나의 입력단(50)을 가지고, 상기 다른 융착 광섬유 커플러(10b)는 2개의 출력단(60a,60b)을 가진다.

본 발명에 의한 가변 광감쇄기는 삽입 손실이 매우 낮고 고출력 광전력의 적용시 안정한 동작을 제공한다.

축상 변위 150㎛에서 34dB의 높은 감쇄량을 제공하며, 두개의 융착 광섬유 커플러를 직렬 연결하여 구동함으로써 60dB이상의 높은 감쇄량을 제공할 수 있다.

축상 운동이 150㎛이내의 짧은 거리에서 행하여지므로 높은 물리적 내구성을 가지며, 감시단은 기기의 자동화를 위해 유용하게 쓰일 수 있다.

또한 융착 광섬유 커플러는 단일 모드 광섬유로 제작되어지므로 광섬유와의 연결시 손실이 거의 없고, 간단한 구조로 이루어져서 저가의 생산이 가능하다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 융착 광섬유 커플러를 이용한 가변 광감쇄기의 개략적인 구조도이다.

도 2는 본 발명에 따른 가변 광감쇄기의 두 접점 벤딩에 의한 광전력 분배의 원리를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명에 사용되는 융착 광섬유 커플러의 두 접점 벤딩시의 전송 스팩트럼이다.

도 4는 1470nm 파장에서 22dBm의 최대 전력치를 가지는 EDFA용 펌프 LD의 광전력 감쇄 특성도이다.

도 5는 축상 변위에 따른 본 발명에 의한 가변 광감쇄기의 광 감쇄량를 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 융착 광섬유 커플러를 이용한 가변 광감쇄기의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10a,10b : 융착 광섬유 커플러 20 : 축상운동 수단

30a,30b,40a,40b : 광섬유 홀더 50 : 입력단

60a,60b: 출력단 70,80 : 감시단

Claims (6)

1. 전 광섬유 구조의 가변 광감쇄기에 있어서;

   단일 입력단과 두개의 출력단을 가지는 융착 광섬유 커플러가, 광섬유 홀더를 축상으로 수평이동시키는 축상 운동수단에 연결된 이동 광섬유 홀더와 고정 광섬유 홀더 사이에 장착됨을 특징으로 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기.
2. 전 광섬유 구조의 가변 광감쇄기에 있어서;

   융착 광섬유 커플러가 축상 운동수단과 연결된 이동 제1광섬유 홀더와 고정 제1광섬유 홀더 사이에 장착되고, 다른 융착 광섬유 커플러가 상기 축상 운동수단과 연결된 이동 제2광섬유 홀더와 고정 제2광섬유 홀더 사이에 장착되며, 상기 고정 제1광섬유 홀더와 상기 고정 제2광섬유 홀더가 연결되어 2개의 융착 광섬유 커플러가 직렬 연결되되, 상기 융착 광섬유 커플러는 하나의 입력단을 가지고, 상기 다른 융착 광섬유 커플러는 2개의 출력단을 가짐을 특징으로 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 융착 광섬유 커플러나 다른 융착 광섬유 커플러를 축상 운동수단에 부착하여 두 접점 벤딩을 가함으로써 광전력 분배 특성을 연속적으로 변화시켜 광감쇄 특성을 얻음을 특징으로 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 융착 광섬유 커플러나 다른 융착 광섬유 커플러를 특정 동작 파장에 맞게 제작하여 원하는 파장에서 광감쇄 특성을 얻도록 함을 특징으로 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 두개의 출력단 중 한쪽은 주 출력단으로 사용되고 다른쪽은 감시단으로 사용됨을 특징으로 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 융착 광섬유 커플러나 다른 융착 광섬유 커플러는 단일모드 광섬유로 제작됨을 특징으로 하는 융착 광섬유 커플러를 이용한 고출력용 가변 광감쇄기.