KR100623259B1 - 특수 광섬유 및 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굽힘에 민감한 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코어의 굴절률이 중심으로부터 증가하며 도파되는 빛이 광섬유의 곡률 반경의 역수에 비례하여 감쇄되고 복원시에는 원상태로 유지되는 특성을 가진 특수 광섬유 및 상기 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 특수 광섬유는 코어와 클래딩 영역을 포함하고, 상기 코어와 클래딩 영역사이의 굴절률 차이가 상기 코어의 중심 영역에서 외부 영역으로 증가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기는 특수 광섬유, 표준형 단일 모드 광섬유 및 상기 특수 광섬유와 표준 광섬유 사이의 접합부로 이루어진 광섬유, 및 상기 광섬유가 소정의 곡률 반경으로 고정되어 있으며 탄성 계수를 가지는 재질로 이루어진 구조체를 포함하고, 상기 구조체의 구조적 변화를 일으키는 물리적인 압력에 따라 상기 특수 광섬유를 통과하는 광의 세기가 감쇄하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따른 가변 광감쇄기는 편광의존성이 낮고 가변 광감쇄기의 구조가 간단하여 광통신 시스템에서 광의 세기를 조절하는데 효과가 있다. 또한, 외부로부터의 물리적인 압력 및 인장력이 가해짐에 따라 광출력이 변화하는 압력 센서, 탐지 센서 및 인장 센서로 이용이 가능한 효과를 제공한다.

가변 광감쇄기, 도파, 압력 센서, 인장 센서, 광통신, 특수 광섬유, 곡률 반경, 굽힘 손실

Description

특수 광섬유 및 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기{OPTICAL FIBER AND VARIABLE OPTICAL ATTENUATOR USING THAT}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 특수 광섬유의 굴절률 분포도를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 광감쇄기의 동작원리를 예시한 것이다.

도 4는 본발명의 일 실시예에 따른 특수 광섬유의 곡률 반경에 따른 광감쇄의 정도 및 편광 특성을 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 광감쇄기의 특수 광섬유의 곡률 반경에 따른 광의 감쇄 특성을 나타낸 것이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

110: 특수 광섬유 120: 표준형 단일 모드 광섬유

130: 특수 광섬유와 표준 광섬유 사이의 접합부

140: 구조체

본 발명은 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 코어의 굴절률이 중심 영역으로부터 외부 영역까지 증가함으로써 도파되는 광원이 특수 광섬유의 곡률 반경의 역수에 비례하여 감쇄되며 복원시에는 원상태로 유지되는 특성을 가진 특수 광섬유, 및 상기 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기에 관한 것이다.

최근, 인터넷 사용이 일반화되고 정보 통신에 대한 생활의 의존도가 높아지면서 급증하는 통신 수요를 효과적으로 수용하기 위해 파장 분할 다중 방식(Wavelength Division Multiplexing)의 광 전송 장치의 도입이 급속히 확산되고 있다.

특히, 미래 정보화 사회에 요구되는 전자 상거래, 케이블 TV, 화상 회의 등의 광대역 통신 서비스를 효율적으로 수용하기 위해서 대도시망(Metropolitan Network)과 가입자망(Access Network)에도 파장 분할 다중 방식의 광 전송 장치가 도입되기 시작하였다.

이러한 파장 분할 다중 방식의 통신 방법은 여러 파장의 광원을 다중하여 전송한 후에, 수신단에서 각 파장을 분리해 내는 방식을 이용한다.

상기와 같은 파장 분할 다중 방식의 통신 시스템에서, 입사한 광의 세기에 대하여 강제적 광 손실을 부여하여 입력 세기보다 감소된 세기의 광을 출력하는 장치로서 가변 광감쇄기(variable optical attenuator)를 이용하는데, 상기 가변 광감쇄기는 광 출력 제어(optical power control), 고속 전송 시스템(high speed transmission systems) 및 광섬유 통신(optical fiber communications) 등 다양한 분야에서 이용 되고 있다.

종래의 광섬유 형태의 가변 광감쇄기의 경우에는 서로 이격된 두개의 광섬유 사이의 광결합 부분 또는 광섬유를 가늘게 늘인 부분에 열적 광학계수를 가지는 추가적인 클래딩층(cladding layer)을 첨가하여 광원이 도파되는 조건을 변화시키거나, 광필터를 이용하여 광의 세기를 감쇄하였다.

그러나, 서로 이격된 광섬유의 결합 경우에는 광섬유의 정렬을 정확히 수행하기 어려우며, 가늘게 늘인 광섬유에 열적 광학계수를 가지는 클래딩층을 첨가시키는 경우에는 광섬유의 굵기를 정확히 제어하기 어렵고 열적 광학계수를 가지는 물질로 인한 원가상승의 문제점이 있다.

또한, 광필터를 이용한 감쇄기의 경우에는 고가의 광필터로 인한 비용상승의 문제점이 있다.

따라서, 광섬유의 코어 영역의 굴절률을 광섬유 제조 공정 단계에서 용이하게 제어할 수 있고, 용이하게 광의 세기를 조절할 수 있으며, 파장에 관계없이 전 파장대역에서 감쇄가 일어나고, 편광에 대한 의존성이 상당히 작은 특성을 보이는 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기에 대한 필요성이 증대되어 왔다.

따라서, 본 발명은 굽힘에 민감한 반응을 보이는 특수 광섬유(BSF; Bending Sensitive Fiber)를 이용하여 광의 세기를 용이하게 조절할 수 있으며 파장에 관계없이 동작하는 표준 광섬유 형태의 가변 광감쇄기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 특수 광섬유는 코어와 클래딩 영역을 포함하고, 상기 코어와 클래딩 영역사이의 굴절률 차이가 상기 코어의 중심 영역에서 외부 영역으로 증가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기는 특수 광섬유, 표준형 단일 모드 광섬유 및 상기 특수 광섬유와 표준 광섬유 사이의 접합부로 이루어진 광섬유, 및 상기 광섬유가 소정의 곡률 반경으로 고정되어 있으며 탄성 계수를 가지는 재질로 이루어진 구조체를 포함하고, 상기 구조체의 구조적 변화를 일으키는 물리적인 압력에 따른 상기 특수 광섬유를 통과하는 광의 세기가 감쇄하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 특수 광섬유는 상기 코어의 중심 영역이 상기 코어와 클래딩 영역사이의 굴절률 차이가 일정한 소정의 구간을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 특수 광섬유는 상기 코어 영역의 굴절률과 클래딩 영역의 굴절률 차이가 0.014 내지 0.02인 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 특수 광섬유는 상기 특수 광섬유를 도파하는 광의 세기가 상기 특수 광섬유의 곡률 반경의 역수에 비례하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 특수 광섬유는 상기 특수 광섬유를 도파하는 광의 세기가 편광의존성이 낮은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 특수 광섬유는 상기 특수 광섬유의 코팅 영역을 더 포 함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 특수 광섬유는 상기 특수 광섬유를 도파하는 광의 세기가 상기 광의 파장대역에 상관없이 동일하게 변화하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 가변 광감쇄기는 상기 구조체가 높이의 변화에 따라 폭의 길이가 변화하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 광원을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기를 개략적으로 나타낸 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 광감쇄기는 광섬유(100) 및 구조체(140)를 포함한다.

상기 광섬유(100)는 굽힘에 민감한 특수 광섬유(110), 표준형 단일 모드 광섬유(120) 및 특수 광섬유와 표준 광섬유 사이의 접합부(130)를 포함한다.

상기 굽힘에 민감한 특수 광섬유(110)는 파장에 관계없이 전 파장대역에서 감쇄가 일어나며, 편광에 대한 의존성이 매우 작아서 신뢰성이 우수한 것이 바람직하다.

상기 구조체(140)는 높이의 변화에 따라 폭이 변화하는 탄성 계수를 가지는 재질로 이루어지는 것이 적합한다. 또한, 상기 특수 광섬유(110)를 일정한 곡률 반경으로 고정시키는 것이 적합하다. 상기 구조체(140)는 저가에 공급가능하도록 복잡한 공정을 거치지 않고 제조할 수 있는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 구조체는 고무, 스폰지, 스프링등의 재질로 제조가 가능하다.

본 도의 구조에서 보는 바와 같이, 상기 구조체(140)에 외부로부터 인가된 압력 또 는 인장력으로 인해 상기 구조체(140)의 높이 또는 폭이 변화하게 되면, 상기 구조체(140)의 내부에 고정되어 있는 특수 광섬유(130)의 곡률 반경이 변화하게 되므로 광의 세기가 변화한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 특수 광섬유의 굴절률 분포도를 나타낸 것이다. 광의 광섬유 내부 도파 시에 광섬유가 외부로부터의 물리적인 압력에 의해서 구부러지는 경우 광섬유의 축이 구부러지므로 광손실이 발생한다.

이와 같은 손실을 굽힘 손실(bending loss)이라고 하며 상기 굽힘 손실이 발생하면 도파 모드의 광 출력이 광섬유 외부로 산란 또는 복사하게 된다. 이때, 코어 외부로 산란 또는 복사한 광의 세기는 곡률 반경이 작아짐에 따라 증가하게 된다.

종래의 표준형 단일 모드 광섬유(SMF; Single Mode Fiber)의 경우에는 외부 압력으로 인한 곡률 반경의 변화가 광섬유 자체에 손상을 주지 않는 최소한의 한계값내에서, 광출력이 감쇄할 수 있는 한계 범위를 가지고 있다.

본 발명에서 제시된 특수 광섬유(130)는 외부 압력으로 인한 곡률 반경 변화에 따른 광출력의 감쇄 범위를 증가시키기 위해서 광이 도파되는 코어 영역의 굴절률을 도 2에 도시된 바와 같이 분포되도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 코어의 중심 영역(210)은 일정한 값의 굴절률을 가지는 소정 구간을 포함하며, 일정한 값의 굴절률을 가지는 상기 코어의 중심 영역(210)의 가장자리부터 코어의 외부 영역(220)까지 선형적으로 또는 비선형적으로 굴절률이 증가한다. 이후, 코어의 외부 영역(220)은 코어에서 최대의 굴절률을 가지도록 생성한다.

X 라인은 상기 특수 광섬유의 단면에서 X축을 따라서 분포된 굴절률 차이를 예시한 것이며, Y 라인은 Y축을 따라서 분포된 굴절률 차이를 예시한 것이다. X, Y축에 따른 굴절률 분포는 상이할 수 있는데, 이는 제조 공정상의 오차로 인한 것으로 허용 오차범위내에서 가능하다.

다른 실시예로 상기 외부 영역(220)의 굴절률 분포(n_코어 - n_클래드)는 V자 형태의 특성을 가질 수 있다. 상기 코어의 굴절률과 클래딩 영역의 굴절률 차이(n_코어 - n_클래드)는 0.014내지 0.02인 특성을 보이는 것이 바람직하다.

또한, 클래딩 영역(cladding region)(230)의 굴절률은 코어 외부 영역(220)에서 광이 도파되는 조건을 만족하도록 이루어지는 것이 적합하다. 즉, 상기 클래딩 영역의 굴절률은 광 도파로(optical waveguide)를 형성하기 위하여 코어의 굴절률보다 작아야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 광감쇄기의 동작원리를 예시한 것이다. 도 1에 예시된 가변 광감쇄기의 구조체(140)는 외부로부터 물리적인 압력이 작용하지 않는 경우, 즉, A와 같이 구조가 변화하지 않는 경우에는 광의 세기가 감쇄된 상태로 유지된다. 이후, 외부로부터 물리적인 압력이 작용하여 B와 같이 구조가 변화하면 광섬유를 도파하는 광의 세기가 증가하게 된다.

상기 구조체(140)의 구조에 따라 변화하는 특수 광섬유의 곡률 반경과 광섬유를 도파하는 광의 감쇄 관계가 도 5에 예시되어 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 특수 광섬유의 곡률 반경에 따른 광감쇄의 정도 및 편광 특성을 나타낸 것이다. 즉, 본 도는 특수 광섬유의 곡률 반경에 대한 감쇄 특성을 나태낸 것이다. 본 도에 예시된 바와 같이, 소정의 곡률 반경(약 0.3 cm^-1)까지는 0dB정도로 광의 세기가 변화하지 않다가 일정 범위내에서는 곡률 반경과 광 세기의 감쇄가 비례하는 특성을 나타낸다. 또한, 소정의 곡률 반경(약 0.7 cm^-1) 이하에서는 더 이상 감쇄가 일어나지 않는 특성을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 광감쇄기의 특수 광섬유의 곡률 반경에 따른 광의 감쇄 특성을 나타낸 것이다. 본 도는 도 1에 제시된 구조체(140)의 외부 압력 변화에 따른 특수 광섬유의 곡률 반경과 특수 광섬유를 도파하는 광의 세기의 감쇄 관계를 보여준다. 예시된 바와 같이, 상기 특수 광섬유의 곡률 반경의 역수에 비례하여 광의 세기가 변화한다.

즉, 본 도에 예시된 바와 같이, 소정의 곡률 반경(약 0.3 cm^-1)까지는 광의 세기가 변화하지 않다가 일정 범위내에서는 곡률 반경과 광 세기의 감쇄가 비례하는 특성을 나타낸다. 또한, 소정의 곡률 반경(약 0.7 cm^-1) 이하에서는 더 이상 감쇄가 일어나지 않는 특성을 나타낸다.

또한, 본 도에 도시된 바와 같이, 상기 가변 광 감쇄기(VOAFB; Variable Optical Attenuator Fiber Type using Bending Sensitive Fiber)는 상이한 두 편광(TE 및 TM)의 차이로 정의되는 편광 손실(polarization loss)도 표준형 단일 모드 광섬유(SMF)와 유사하게 편광 의존성이 낮은 특성을 나타낸다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자(통상의 지식을 가진 자)는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허 청구의 범위 및 그 균등 개념(Equivalents)으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 의하면, 편광의존성이 낮고 가변 광감쇄기의 구조가 간단하여 광통신시스템에서 입력광의 세기를 조절하는데 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 높이의 변화에 의해 폭이 변화하는 구조로 일정한 곡률 반경으로 구조체에 고정되어 있는 특수 광섬유를 도파하는 광의 세기를 조절하는 가변 광감쇄기의 구조는 상기 구조체의 상층부에 미세한 압력을 주었을 때 도파되는 광의 세기가 변화함으로 압력 센서, 탐지 센서 및 인장 센서로로 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 가변 광감쇄기의 구조는 광으로만 구성되어 있으므로 전자기적인 현상에 의한 측정값의 오작동 현상이 일어나지 않는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 코어와 클래딩 영역을 포함하며, 상기 코어와 상기 클래딩 영역 사이의 굴절률 차이는 상기 코어의 중심 영역에서 외부 영역으로 증가하며, 그리고

   도파하는 광의 세기가, 소정의 곡률 반경까지 일정하고, 일정 범위의 곡률 반경에서는 상기 곡률 반경의 역수에 비례하여 변화하고, 소정의 곡률 반경 이하에서는 감쇄하지 않는 것을 특징으로 하는 특수 광섬유.
2. 제1항에 있어서, 상기 코어의 중심 영역은 상기 코어와 클래딩 영역사이의 굴절률 차이가 일정한 소정의 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 특수 광섬유.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 코어 영역의 굴절률과 클래딩 영역의 굴절률 차이는 0.014 내지 0.02인 것을 특징으로 하는 특수 광섬유.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 도파하는 광의 세기는 편광의존성이 낮은 것을 특징으로 하는 특수 광섬유.
6. 제5항에 있어서, 상기 도파하는 광의 세기는 상기 광의 파장대역에 상관없이 일정한 파장구간에서 동일한 값으로 감쇄하는 것을 특징으로 하는 특수 광섬유.
7. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 영역 외부에 코팅 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 특수 광섬유.
8. 제1항의 특수 광섬유, 표준형 단일 모드 광섬유, 및 상기 특수 광섬유와 표준 광섬유 사이의 접합부로 이루어진 광섬유; 및

   상기 광섬유가 소정의 곡률 반경으로 고정되어 있으며 탄성 계수를 가지는 재질로 이루어진 구조체를 포함하고, 상기 구조체의 구조적 변화를 일으키는 물리적인 압력에 따라 상기 특수 광섬유를 통과하는 광의 세기가 감쇄하는 것을 특징으로 하는 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기.
9. 제8항에 있어서, 상기 구조체는 높이의 변화에 따라 폭이 변화하는 것을 특징으로 하는 특수 광섬유를 이용한 가변 광감쇄기.

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