KR100586226B1 - 타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유를 이용한광섬유 가변 편광 필터, 편광 의존 손실 소자 및 광섬유편광기 - Google Patents

타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유를 이용한광섬유 가변 편광 필터, 편광 의존 손실 소자 및 광섬유편광기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코어 모드와 클래딩 모드 간의 모드 결합 효율을 향상시키고, 코어 모드의 편광 성분에 따른 모드 변환 이외의 모든 근접한 모드 변환 파장들을 제거하기 위하여, 타원형의 응력 분포를 가진 편광 유지 광섬유를 사용하며, 그 광섬유의 두 복굴절 축 중 빠른 축과 탄성파의 진동 방향을 정렬시키는 광섬유 가변 편광 필터에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유(Polarization-maintaining Fiber)를 포함하고, 상기 편광 유지 광섬유의 두 복굴절축 중 어느 하나의 축과 탄성파(Acoustic Wave)의 진동 방향이 일치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터가 제공된다.
편광, 모드 결합, 코어, 클래딩, 광섬유, 복굴절

Description

타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유를 이용한 광섬유 가변 편광 필터, 편광 의존 손실 소자 및 광섬유 편광기 {All-fiber tunable polarization filter, all - fiber polarization - dependent loss element, and all - fiber polarizer using polarization - maintaining fiber with an elliptical stress member}
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 편광 필터의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 유지 광섬유의 단면 모양과 탄성파의 진동 방향을 보여 주는 개념도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파장 필터의 특성을 측정하기 위한 장치의 개략적인 구성도이고,
도 3은 타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유에서 입력 광신호의 편광에 따른 모드 결합 특성을 나타내는 그래프이고,
도 4는 전기 신호의 주파수 변화에 따른 두 편광의 모드 변환 파장의 변화를 광통신 대역 C 밴드(1530 - 1565 nm) 근방에서 나타낸 그래프이고,
도 5는 탄성파 발생기에 인가된 전기 신호의 주파수가 3.486 MHz로 일정할 때, 상용 PDL 계측기를 이용하여 y 축으로 편광된 코어 모드의 PDL 값을 인가된 전기 신호의 진폭에 대하여 나타낸 그래프이고,
도 6은 동일한 모드 결합 특성을 갖는 두 개의 가변 편광 필터를 편광 유지 광섬유로 일렬로 연결하여 편광기를 구현한 모습을 보여주는 개념도이고,
도 7은 입사된 광이 동일한 가변 편광 필터를 2번 통과하게 제작하고, 모드 결합 효율을 증가시키기 위하여, 광섬유의 끝단에서 거울에 의해 광을 반사시키는 모습을 보여주는 개념도이고,
도 8은 거울 대신에 편광 유지 광섬유 광순환기를 이용하여 광루프를 제조하는 모습을 보여주는 개념도이다.
본 발명은 광섬유 편광 필터, 편광 의존 손실 소자 및 광섬유 편광기에 관한 것으로서, 특히, 타원형의 응력(Stress) 분포를 가지는 편광 유지 광섬유(Polarization - maintaining Fiber)에서의 음향 광학(Acousto-optic) 모드 결합(Mode Coupling)을 이용한 광섬유 가변 편광 필터, 편광 의존 손실 소자 및 광섬유 편광기에 관한 것이다.
편광 유지 광섬유는 광섬유의 코어(Core)를 진행하는 광의 편광 성분에 따라 유효 굴절률이 다른, 즉, 복굴절(Birefringence)을 가지는 광섬유이다. 이러한 복 굴절에 의하여 입사광은 편광 성분에 따라 서로 다른 전파 특성을 가지게 되어 두 편광 간의 에너지 교환이 억제된다. 따라서, 입사광이 광섬유를 진행하더라도 처음의 편광 상태를 그대로 유지하게 된다.
복굴절은 광섬유 코어의 기하학적인 변형에 의한 기하학적 복굴절(Geometrical Birefringence) 및 코어에 인가된 비대칭적인 응력에 의한 응력 유도 복굴절(Stress-induced Birefringence)이 있는데, 응력에 의한 복굴절의 크기가 기하학적인 복굴절에 비하여 편광 유지 광섬유로서는 더 적합하다. 비대칭적인 응력에 의한 광통신용 편광 유지 광섬유는 광섬유 단면에서의 응력의 분포 모양에 따라 보우-타이(Bow-Tie), 판다(PANDA), 타원 응력(Elliptical Stress) 편광 유지 광섬유 등으로 나눌 수 있다.
가변 편광 필터는 전(全) 광섬유 소자 및 집적 광학 소자로 나눌 수 있다.
전(全) 광섬유 소자는 집적 광학 소자를 주요 부품으로 하는 삽입형 소자에 비하여 광섬유와 집적 광학 소자 사이의 접속 손실이 작은 장점이 있다. 또한, 일부 집적 광학 소자는 입력광의 편광 상태에 따라 필터 특성이 크게 달라지기 때문에, 입력 편광 상태가 변하는 경우에는 소자를 통하여 나온 출력광의 투과 특성이 다를 수 있다. 따라서, 가변 편광 소자로는 전(全) 광섬유 소자가 삽입형 소자보다 유리하다.
일반 광통신용 단일 모드 광섬유에서 음향 광학 모드 결합이란 길이 방향으로 진행하는 탄성파(Acoustic Wave)에 의하여 생성된 수 백 마이크로미터의 주기적인 구부러짐이 코어(Core) 모드를 클래딩(Cladding) 모드로 결합시키는 것을 말한 다. 이러한 코어 모드와 클래딩 모드간의 모드 결합은 탄성파에 의한 구부러짐의 주기를 조절하여 두 모드 간의 위상 정합 조건(Phase Matching Condition)을 충족시킴으로써 가능하다.
따라서 위상 정합을 만족하는 일정한 파장의 코어 모드는 클래딩 모드로 결합되어 코어에서 제거되기 때문에 광출력은 노치 필터(Notch Filter)의 투과 특성을 갖는다. 이때, 클래딩 모드로 변환된 코어 모드의 광파장을 모드 변환 파장(Mode Conversion Wavelength)이라고 한다.
음향 광학 모드 결합은 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 약한 결합이기 때문에 결합 효율을 높이기 위하여 결합 길이가 늘어나게 되어, 노치 필터의 3dB 대역폭은 수 nm로 좁다. 대표적인 종래의 기술로는 김병윤 등의 대한민국 특허 출원 번호 1997-024796 '광섬유 가변형 파장 필터'가 있다. 제시된 특허에서는 단일 모드 광통신 광섬유에서의 음향 광학 모드 결합을 전기 신호를 이용하여 모드 변환 파장과 그 파장에서의 모드 결합 효율을 빠르고 쉽게 제어할 수 있는 광섬유 소자를 상술하고 있다.
편광 유지 광섬유에서는 복굴절에 의해 광섬유를 진행하는 광의 편광 성분에 따라 전파 상수가 다르다. 따라서, 편광 유지 광섬유에서의 음향 광학 모드 결합은 편광 성분에 따라 모드 변환 파장이 다르게 된다. 또한, 응력에 의한 편광 유지 광섬유는 큰 복굴절을 가지기 때문에 각 편광 성분이 모드 변환되는 파장 간의 차는 기하학적인 복굴절에 의한 것보다 크게 된다.
편광 유지 광섬유에서의 음향 광학 모드 결합을 이용한 종래의 기술로는, Dan Ostling 등의 옵틱스레터 1996년 제 21권 19호에 게시된 '높은 복굴절이 있는 이중 모드 광섬유에서 두 코어 모드간의 맥놀이 길이 측정'에 관한 논문에서 음향광학 모드 결합의 편광 의존성이 보고된 적이 있으나, 광통신에 응용할 수 있는 광파장 영역은 아니었다.
또한 C. H. Lin 등의 옵틱스레터 2003년 제 28권 12호에 게시된 편광 유지 광섬유에서의 주기적인 미세 구부림에 의한 코어와 클래딩 모드간의 결합'에 관한 논문에서 처음으로 광통신용 편광 유지 광섬유인 PANDA 광섬유에서의 음향 광학 모드 결합에 의한 투과 특성을 제시하였다. 그러나, PANDA 편광 유지 광섬유 자체의 음향 광학 모드 결합 특성으로 인하여 코어 모드의 두 편광 성분에 의한 모드 변환 파장외의 다른 파장에서도 추가적인 모드 결합이 발생하는 문제점이 있다.
즉, PANDA의 광섬유에서의 투과 특성의 경우, 광신호의 편광 성분에 의한 모드 변환 파장간의 차 혹은 이러한 모드 변환 파장과 추가적인 모드 결합 파장 간의 차가 광통신 C 밴드 대역보다 작기 때문에, 그 광통신 대역 내에서 다채널 신호가 전송될 경우, 특정한 파장의 광신호 외에 다수의 다른 광신호의 편광에도 영향을 주게 된다. 또한, 편광 유지 광섬유의 복굴절 축과 탄성파의 진동 방향과의 불일치는 모드 결합 효율을 낮추어 특정한 파장에서의 편광 소멸비가 나쁜 문제점이 지적되어 왔으나, 해결 방안은 제시되지 못했다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광통신 파장 대역에서 코어와 클래딩 간의 모드 결합 효율이 높고, 광신호의 편광 성분에 의한 모드 변환 파장 간의 거리 또는 이러한 모드 변환 파장과 이것과 인접한 모드 결합 파장 간의 거리가 특정 광통신 밴드 대역보다 큰 투과 특성을 가지는 광섬유 가변 편광 필터, 편광 의존 손실 소자 및 광섬유 편광기를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유(Polarization-maintaining Fiber)를 포함하고, 상기 편광 유지 광섬유를 회전시켜 두 복굴절축 중 어느 하나의 축과 탄성파(Acoustic Wave)의 진동 방향을 일치시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터가 제공된다.
또한, 상기 광섬유 가변 편광 필터는, 입력되는 전기 신호를 기계적인 진동으로 변환시켜 탄성파를 발생시키는 탄성파 발생기(Acoustic Transducer); 상기 탄성파 발생기에 의하여 발생한 탄성파가 진행하는 편광 유지 광섬유; 및 상기 편광 유지 광섬유를 따라 진행하던 탄성파가 반대 방향으로 반사되지 않도록 하는 탄성파 감쇄기(Acoustic Damper); 를 포함한다.
또한, 보다 더 양호하게는, 상기 탄성파 발생기는, 입력되는 전기 신호를 기계적 진동으로 변환시켜 탄성파를 발생시키는 PZT 소자; 및 상기 PZT 소자에 의하여 발생한 탄성파를 진행 방향으로 유도하고, 집중화시킴으로써 탄성파의 진폭을 크게 하는 탄성파 혼; 을 포함한다.
또한, 상기 편광 유지 광섬유는, 클래딩(Cladding)이 노출된 부분과 노출되지 아니한 부분으로 나누어지며, 상기 클래딩이 노출된 부분을 상기 탄성파 혼 중심으로 관통시킨다.
또한, 상기 클래딩이 노출된 부분은 클래딩/공기 경계면에서 빛이 전반사되도록 하며, 상기 클래딩이 노출된 부분은 하나의 코어 모드와 다수의 클래딩 모드가 음향 광학 모드 결합되도록 한다.
또한, 상기 편광 유지 광섬유는 코어에 보론(Boron)이 첨가되고, 상기 편광 유지 광섬유 코어에서의 복굴절을 증가시키고, 통과광의 편광 성분에 따른 두 모드 변환 파장 거리를 증가시키기 위하여, 상기 편광 유지 광섬유의 타원형 응력 분포의 타원율(Ellipticity)을 임의의 값 이상으로 한다.
또한, 모드 결합되는 대역폭을 증가시키기 위하여, 상기 편광 유지 광섬유의 정규화 주파수(Normalized Frequency)가 특정 광통신 밴드 대역에서 최소가 되도록 하고, 편광에 의한 두 모드 변환 파장이 이동하되, 상기 두 모드 변환 파장의 간격이 일정하게 유지되도록, 입력되는 전기 신호의 주파수가 임의의 값을 가지도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유를 이용한 광섬유 가변 편광 필터, 편광 의존 손실 소자 및 광섬유 편광기를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 타원형의 응력 분포를 가진 편광 유지 광섬유를 선택하고, 그 편 광 유지 광섬유를 회전시켜, 그것의 두 복굴절 축 중 하나의 축과 탄성파(Acoustic Wave)의 진동 방향을 일치시키는 것이 핵심이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 편광 필터의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이것은 단일 모드 광통신 광섬유 대신 편광 유지 광섬유를 사용하는 것 이외에는 종래의 광섬유 가변형 파장 필터의 장치와 비슷하다. 그러나, 종래의 파장 필터에서는 모드 결합이 탄성파의 진동 방향에는 무관하고, 모드 결합의 편광 의존성을 줄이는 것이 바람직하지만, 본 발명에서는 특정한 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유를 사용하여야 하고, 그것의 복굴절 축과 탄성파의 진동 방향을 정렬시킨다는 점에서 구별된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 편광 필터는 크게 탄성파 발생기(Acoustic Transducer), 편광 유지 광섬유(101) 및 탄성파 감쇄기(Acoustic Damper, 102)를 포함하여 구성된다.
보다 양호하게 상기 탄성파 발생기는 전기 신호를 기계적인 진동으로 변환시켜 탄성파를 발생시키는 것으로서, PZT(PieZo-electric Transducer) 소자(103) 및 원뿔 모양의 탄성파 혼(Acoustic Horn, 104)으로 구성될 수 있다.
상기 탄성파 혼(104)은 발생한 탄성파를 진행 방향으로 유도하고, 작은 부분으로 집중시킴으로써, 탄성파의 진폭을 크게 한다. 또한, 광섬유에 기계적인 진동을 주기 위하여 상기 탄성파 혼의 중앙에 재킷(Jacket)이 벗겨진 편광 유지 광섬유를 관통시킬 수 있는 길이 방향의 홀(Hole)을 가지고 있다.
광섬유를 따라 진행하던 탄성파는 반대 방향으로 반사되지 않도록 상기 탄성파 감쇄기(102)에서 흡수된다.
상기 편광 유지 광섬유(101)는 재킷의 일부를 제거하여 재킷이 있는 광섬유 부분과 재킷이 없는 광섬유 부분으로 나누어진다. 재킷이 없는 광섬유 부분을 상기 탄성파 혼(104) 중심으로 관통시켜 혼의 진동이 이 부분을 진행하면서 광섬유에 주기적인 구부림을 발생시켜 음향 광학 모드 결합이 일어나게 한다. 재킷이 있는 경우, 클래딩을 둘러싸고 있는 재킷의 굴절률은 클래딩의 굴절률보다 크고, 광흡수율도 크기 때문에 클래딩을 통한 광의 진행은 어렵게 된다. 그러나, 재킷이 제거되면, 즉, 클래딩이 공기 중에 노출되는 경우에는, 클래딩의 굴절률이 공기의 굴절률보다 크기 때문에 클래딩/공기 경계면에서 빛이 전반사되어, 클래딩을 통하여 광이 멀리 진행할 수 있게 된다.
일반적인 광통신용 단일 모드 광섬유와 마찬가지로 광통신용 편광 유지 광섬유에서도 동작 파장 영역에서는 하나의 코어 모드만이 존재하며, 이 광섬유의 재킷에 제거된 경우에는 하나의 코어 모드와 다수의 클래딩 모드가 존재하게 된다. 따라서, 음향 광학 모드 결합에 의하여 하나의 코어 모드가 다수의 클래딩 모드로 결합하게 된다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 유지 광섬유의 단면 모양과 탄성파의 진동 방향을 보여 주는 개념도이다.
본 발명에 사용된 편광 유지 광섬유는 타원형의 응력 분포를 가지고 있으며, 광통신 파장 영역에서 단일 모드를 진행시킨다.
편광 유지 광섬유의 단면 모양은 둥근 코어와 둥근 내부 클래딩을 타원형의 응력 분포가 둘러싸고 있고, 이것을 다시 둥근 외부 클래딩이 둘러싸고 있다. 또한, 광섬유 코어에서의 비대칭적인 응력을 만들기 위해 열팽창 계수가 큰 보론(Boron)을 첨가한다.
따라서, 광섬유를 제조할 때, 유리로만 된 영역과 보론이 첨가된 영역 사이의 열팽창의 차이가 코어에서의 비대칭적인 복굴절을 초래한다. 인장 광학 효과에 의하여 응력이 있는 축과 평행한 방향의 굴절률은 높고, 수직한 방향의 굴절률은 낮다. 따라서, 도 1b에서 x 축은 느린 축(Slow Axis)이고, y 축은 빠른 축(Fast Axis)에 해당한다.
탄성파의 진동 방향은 편광 유지 광섬유의 느린 축과 빠른 축 중에서 하나와 일치시키되, 코어 모드의 두 편광에 의한 모드 변환 파장간의 거리가 큰 경우를 선택한다. 본 발명에서는 탄성파의 진동 방향을 편광 유지 광섬유의 빠른 축, 즉, 도 1b에서의 y 축과 정렬시켰다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파장 필터의 특성을 측정하기 위한 장치의 개략적인 구성도이다.
광대역 EDFA(Erbium-Dopped Fiber Amplifier)를 입력 광원(도면 생략)으로 사용하고, 편광 필터의 광출력 특성을 광스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer, 도면 생략)를 이용하여 측정하였다. 또한, 편광 유지 광섬유와 일반 광 통신 광섬유는 모두 재킷을 벗긴 후 접합(Splicing)하였다.
도 1a에 도시된 바와는 달리, 광신호의 편광 성분에 따른 특성을 관찰하기 위해 선형 광섬유 편광기(201)를 두었다. 그리고, 편광 유지 광섬유의 복굴절 축과 탄성파의 진동 방향을 일치시키기 위하여, 광섬유를 회전시킬 수 있는 회전판(Rotary Stage, 202)을 구비하였다. 또한, 편광 유지 광섬유를 회전시키면서 동시에 탄성파의 기계적인 진동을 편광 유지 광섬유에 전달해 주기 위하여 탄성파 혼 내부를 점성있는 액체로 채웠다.
본 발명에 의한 광섬유 가변형 편광 필터의 상세한 동작 원리는 다음과 같다.
상기 탄성파 발생기에 임의의 주파수의 전기 신호를 인가하면, 이와 동일한 주파수를 가지는 탄성파가 발생하게 되고, 이 탄성파는 편광 유지 광섬유로 전달되어, 광섬유 내를 진행하고, 탄성파 감쇄기에서 흡수된다. 광섬유 내를 진행하는 탄성파는 광섬유에 주기적인 구부림을 주고, 이에 따라 광섬유 내를 진행하는 빛이 겪는 유효 굴절률을 변화시킨다. 이러한 광섬유의 유효 굴절률의 변화는 코어 내를 진행하는 신호광을 클래딩 모드로 변환시키게 된다. 이와 같이 탄성파에 의한 유효 굴절률의 변화를 이용한 모드 결합을 음향 광학 모드 결합이라고 한다.
신호광이 본 발명에 의한 가변 편광 필터에 입사되면, 재킷이 제거된 편광 유지 광섬유 내를 진행하면서 일부는 클래딩 모드로 변환되고, 나머지는 코어 모드로 진행하게 된다. 광섬유에서 클래딩 모드로 변환된 빛은, 재킷이 있는 광섬유에 도달하여 더 이상 진행하지 못하고 일부는 흡수되고, 일부는 광섬유 외부로 새어 나가게 된다.
이러한 음향 모드 결합은 아래의 [수학식 1]과 같은 위상 정합 조건을 만족한다.
[수학식 1]
Figure 112004019715371-pat00001
여기에서,
Figure 112004019715371-pat00002
,
Figure 112004019715371-pat00003
는 각각 광섬유 내의 코어 모드와 클래딩 모드에 대한 전파 상수로서, 파장에 의존하는 양이고,
Figure 112004019715371-pat00004
는 탄성파의 파장이다.
편광 유지 광섬유의 경우, 코어 모드의 전파 상수가 편광 성분에 따라 다르기 때문에 모드 변환 파장은 입사광의 편광에 따라 다르게 된다. 이러한 것을 편광 의존(Polarization-dependent) 모드 결합이라고 한다.
도 3은 타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유에서 입력 광신호의 편광에 따른 모드 결합 특성을 나타내는 그래프이다.
인가된 전기 신호의 주파수는 3.48 MHz이고, 코어로부터 결합된 클래딩 모드는 LP11이다. 이때의 클래딩 모드는 모드 결합된 광의 패턴을 광섬유 끝단에서 측정함으로써 실험적으로 확인하였다. 두 편광에 의한 모드 변환 파장 간의 거리는 36nm이며, 두 파장 사이에 인접한 다른 모드 변환 파장은 나타나지 않았다.
x 축으로 편광된 코어 모드가 y 축으로 편광된 것보다 유효 굴절률이 높기 때문에 더 긴 파장에서 모드 결합이 일어났다. 모드 결합된 코어 모드의 편광은 광섬유 끝단의 광출력을 편광기를 이용하여 확인할 수 있다. 두 편광의 최대 편광 소멸비는 각각 16dB, 17dB이다.
각 편광의 투과율은 탄성파의 진폭에 의존하는 양이므로, 탄성파 발생기에 인가하는 전기 신호의 진폭을 바꿈으로써, 신호의 투과율을 조절할 수 있다. 또한, 탄성파의 파장은 탄성 발생기에 인가하는 전기 신호의 주파수의 함수이므로, 전기 신호의 주파수를 바꾸면, 광섬유 내에서의 탄성파의 파장이 변하게 되어, 편광 필터의 중심 파장이 변화하게 된다.
도 4는 전기 신호의 주파수 변화에 따른 두 편광의 모드 변환 파장의 변화를 광통신 대역 C 밴드(1530 - 1565 nm) 근방에서 나타낸 그래프이다.
두 편광의 모드 변환 파장들은 전기 신호의 주파수의 변화에 대하여 모두 선형적인 변화를 보였고, 주파수가 감소할수록 모드 변환 파장간의 거리가 약간 증가하는 경향을 보였다.
전기 신호의 주파수가 3.56 MHz일 때, x 축과 y 축으로 편광된 입력광의 모드 변환 파장은 각각 1528.6 nm, 1566.3 nm로서 파장간의 간격은 대략 37 nm이다. 전기 신호의 주파수가 3.56 MHz 이하이면, 광통신 C 밴드에서는 단지 y 축으로 편광된 코어 모드만 모드 변환이 일어나고, 전기 신호의 주파수가 3.58 MHz 이상이면, 단지 x 축으로 편광된 코어 모드만 모드 변환이 일어난다.
따라서, 전기 신호의 주파수를 조절함으로써, 광통신 C 밴드 대역에서는 적 어도 코어 모드의 특정 편광만을 선별적으로 모드 결합시킬 수 있게 된다. 또한, 탄성파 발생기에 인가하는 전기 신호의 주파수와 진폭을 독립적으로 제어할 수 있으므로 특정 파장에서의 편광과 그 편광의 투과율을 독립적으로 가변시킬 수 있다.
또한, 타원형의 응력 분포의 타원율(Ellipticity)을 증가시키면, 코어에서의 복굴절이 증가하게 되므로, 두 편광의 모드 변환 파장간의 거리는 증가할 수 있으므로, 보다 넓은 광통신 밴드 대역에서도 응용될 수 있다. 여기서, 타원율이란, 타원에서 장축의 길이에 대한 단축의 길이의 비를 말한다.
또한, 광섬유의 구조 파라미터인 코어 반경, 코어 굴절률 및 클래딩 굴절률을 적절하게 조절하여 LP01과 LP11 모드의 맥놀이 길이(Beatlength)가 입사광의 파장에 따른 변화가 최소인 정규화 주파수(Normalized Frequency) 값을 갖는 편광 유지 광섬유를 이용하여 광대역 편광 소자도 구현할 수 있다.
본 발명의 광섬유 가변 편광 필터는 편광 의존 손실 소자, 광섬유 편광기 및 그 외 편광 의존 모드 결합 특성을 필요로 하는 다양한 광섬유 편광 소자들에 응용될 수 있다. 다음은 편광 의존 손실과 광섬유 편광기에 대하여 예시한다.
[편광 의존 손실 소자]
편광 의존 손실(Polarization - Dependent Loss, 이하 PDL)이라 함은, 광신호가 광소자나 광전송 시스템을 통하여 전송되었을 때, 광 신호의 편광 상태에 따 른 최대 광전력과 최소 광전력 간의 비를 말한다.
이러한 PDL은 불규칙한 광전력의 변화에 의하여 수신단에서의 광신호 잡음비(Optical Signal-to-Noise Ratio)를 저하시키고, 편광 모드 분산(Polarization Mode Dispersion)의 영향을 증가시켜, 편광 모드 분산을 보상하는데 제한 요인으로 작용한다. 따라서, 광신호의 편광에 따른 대용량 광통신 시스템의 성능 향상을 위히야 PDL을 제어하고 보상할 수 있는 가변 편광 의존 손실 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명의 가변 편광 필터는 광통신 C 밴드에서 편광 의존 손실 소자로 사용될 수 있다.
각각의 편광에 의한 모드 변환 파장간의 거리가 광통신 C 밴드 대역보다 넓고, 전기 신호의 주파수를 조정하여 특정 파장의 광신호에 대하여 특정한 편광만 모드 결합이 일어나게 할 수 있기 때문에 PDL의 극성을 선택할 수 있다. 또한, 전기 신호의 진폭을 변화시킴으로써, PDL의 크기를 PDL의 극성과는 독립적으로 가변할 수도 있다.
따라서, PDL의 크기를 전기 신호를 이용하여 쉽고 빠르게 가변할 수 있으므로, 빠른 편광 의존 손실 보상을 위한 광통신용 광소자로 사용될 수 있다.
도 5는 탄성파 발생기에 인가된 전기 신호의 주파수가 3.486 MHz로 일정할 때, 상용 PDL 계측기를 이용하여 y 축으로 편광된 코어 모드의 PDL 값을 인가된 전기 신호의 진폭에 대하여 나타낸 그래프이다.
발생한 PDL의 크기는 전기 신호의 진폭의 제곱에 비례하였다. 실제로는 PDL의 크기를 17 dB까지 가변시킬 수 있지만, PDL 측정기의 측정 한계 때문에 5 dB까지만 나타내었다.
[광섬유 편광기]
가변 편광 필터의 최종 광출력에서의 편광 소멸비가 30 dB 이상이 되면, 광섬유 편광기를 구현할 수 있다.
도 6은 동일한 모드 결합 특성을 갖는 두 개의 가변 편광 필터를 편광 유지 광섬유로 일렬로 연결하여 편광기를 구현한 모습을 보여주는 개념도이다.
두 가변 편광 필터에서 전기 신호의 진폭과 주파수를 동일하게 인가하되, 그 편광을 유지해 줌으로써, 30 dB가 넘는 편광 소멸비를 얻을 수 있다. 그러나, 두 가변 편광 필터를 연결하는 편광 유지 광섬유는 타원형의 응력 분포를 갖는 광섬유일 필요는 없고, 다른 사용 편광 유지 광섬유를, 예를 들어, PANDA 혹은 보우 타이(Bow-Tie) 편광 유지 광섬유를 사용해도 된다.
한편, 본 실시예에서는 가변 편광 필터 두 개를 직렬로 연결한 것을 설명하였으나, 보다 더 나은 특성을 얻기 위하여 다수의 가변 편광 필터를 연결시키는 것을 배제하는 것은 아니다.
도 7은 입사된 광이 동일한 가변 편광 필터를 2번 통과하게 제작하고, 모드 결합 효율을 증가시키기 위하여, 광섬유의 끝단에서 거울에 의해 광을 반사시키는 모습을 보여주는 개념도이다.
반사된 광은 단일 모드 광섬유 광순환기(Optical Circulator)를 통해 최종적으로 출력되게 된다.
도 8은 거울 대신에 편광 유지 광섬유 광순환기를 이용하여 광루프를 제조하는 모습을 보여주는 개념도이다.
광순환기가 편광 유지 광섬유로 이루어진 경우, 광순환기를 거치더라도, 처음의 편광을 유지할 수 있다. 그러나, 각 소자의 편광 의존성과 반사 혹은 투과 특성의 파장 의존성이 가변 편광기로서의 성능에 큰 영향을 주지 않아야 한다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술 사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 코어 모드와 클래딩 모드 간의 모드 결합 효율을 향상시키고, 코어 모드의 편광 성분에 따른 모드 변환 이외의 모든 근접한 모 드 변환 파장들을 제거하여 광통신 C 밴드 대역의 특정 파장에서 특정 편광 성분만을 선택적으로 모드 결합시킬 수 있다. 그럼으로써, 그 편광 성분의 모드 결합 효율을 전기적인 신호를 이용하여 빠르고 쉽게 제어할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 상기 편광 유지 광섬유의 타원형 응력 분포의 타원율(Ellipticity)을 임의의 값 이상으로 증가시켜 통과광의 편광 성분에 따른 두 모드 변환 파장 거리를 증가시킴으로써 다른 광통신 밴드 대역에서도 사용될 수 있다.
또한, 모드 결합 효율은 편광 선택과는 독립적으로 조절할 수 있다. 그럼으로써, 편광 의존 손실 보상을 위한 편광 의존 손실 소자, 광섬유 편광기 및 그 외 편광 의존 모드 결합 특성을 이용하는 다양한 광통신용 광섬유 가변 편광 소자에 응용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 타원형의 응력 분포를 가지는 편광 유지 광섬유(Polarization-maintaining Fiber)를 포함하고,
    상기 편광 유지 광섬유의 두 복굴절축 중 어느 하나의 축과 탄성파(Acoustic Wave)의 진동 방향이 일치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터.
  2. 입력되는 전기 신호를 기계적인 진동으로 변환시켜 탄성파를 발생시키는 탄성파 발생기(Acoustic Transducer); 상기 탄성파 발생기에 의하여 발생한 탄성파가 진행하는 편광 유지 광섬유; 및 상기 편광 유지 광섬유를 따라 진행하던 탄성파가 반대 방향으로 반사되지 않도록 하는 탄성파 감쇄기(Acoustic Damper); 를 포함하고,
    상기 편광 유지 광섬유는 타원형의 응력 분포를 가지며, 상기 편광 유지 광섬유의 두 복굴절 축 중 어느 하나의 축과 탄성파의 진행 방향이 일치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄성파 발생기는,
    입력되는 전기 신호를 기계적 진동으로 변환시켜 탄성파를 발생시키는 PZT(PieZo-electric Transducer) 소자; 및
    상기 PZT 소자에 의하여 발생한 탄성파를 진행 방향으로 유도하고, 집중화시킴으로써 탄성파의 진폭을 크게 하는 탄성파 혼(Acoustic Horn);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 편광 유지 광섬유는,
    클래딩(Cladding)이 노출된 부분과 노출되지 아니한 부분으로 나누어지며,
    상기 클래딩이 노출된 부분을 상기 탄성파 혼 중심으로 관통시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 편광 유지 광섬유의 코어 모드의 두 편광에 의한 모드 변환 파장 간의 거리가 크도록, 상기 편광 유지 광섬유의 두 복굴절 축 중 어느 하나의 축과 탄성파의 진행 방향을 일치시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 편광 유지 광섬유 코어에서의 복굴절을 증가시키고, 통과광의 편광 성분에 따른 두 모드 변환 파장 거리를 증가시키기 위하여, 상기 편광 유지 광섬유의 타원형 응력 분포의 타원율(Ellipticity)을 임의의 값 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    모드 결합되는 대역폭을 증가시키기 위하여, 상기 편광 유지 광섬유의 정규화 주파수(Normalized Frequency)가 특정 광통신 밴드 대역에서 최소가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    편광에 의한 두 모드 변환 파장이 이동하되, 상기 두 모드 변환 파장의 간격이 특정 광통신 밴드 대역 이하로 감소되지 않도록, 입력되는 전기 신호의 주파수가 임의의 값을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 가변 편광 필터.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 의한 광섬유 가변 편광 필터로 구성된 가변 편광 의존 손실 소자(PDL : Polarization - Dependent Loss).
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 의한 광섬유 가변 편광 필터 다수를 직렬로 연결하여 구성된 광섬유 편광기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 광섬유 가변 편광 필터를 연결시키는 편광 유지 광섬유는 타원형의 응력 분포를 가지지 아니하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광기.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 의한 광섬유 가변 편광 필터의 출력 끝단에 거울이 설치되고, 상기 거울에 의하여 반사된 광을 최종 출력하는 광섬유 광순환기(Optical Circulator)가 상기 광섬유 가변 편광 필터 입력 끝단에 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유 편광기.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 의한 광섬유 가변 편광 필터의 출력 끝단에 광을 순 환시키는 광섬유 루프(Loop)가 설치되고, 상기 광섬유 루프에 의하여 순환된 광을 최종 출력하는 광섬유 광순환기가 상기 광섬유 가변 편광 필터 입력 끝단에 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유 편광기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광섬유 루프는 광섬유 편광 유지 광섬유 광순환기를 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 편광기.
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