KR100647378B1 - 광자결정 광섬유 관련 및 광자결정 광섬유에 있어서의 개량 - Google Patents
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Abstract
다수의 길이 방향의 홀(220)들을 포함하고, 광섬유 제조 후 열처리되는 영역인 광섬유의 제1 영역(200) 내의 홀들 중 적어도 일부가 광섬유의 제2 영역(190) 내의 홀들의 단면적과는 상이한 단면적을 갖고 있으며, 여기서 열처리 영역(200) 내에서의 광섬유의 광학적 특성이 상기한 영역 내에서의 홀(230)들의 단면적 변화로 인해 변경되어 있는 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber).
Description
본 발명은 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber) 분야에 관한 것이다.
광자결정 광섬유는 광섬유의 특별한 한 형태이다. 단일 모드 광섬유는 원격통신 및 센싱과 같은 용도에 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 광섬유는 전형적으로는 전체적으로 유리와 같은 고체상 투명 소재로 제조되며 각각의 섬유는 전형적으로 그 길이 방향을 따라 동일한 단면 구조를 갖는다. 단면 일부(통상적으로는 중앙부)의 투명 소재는 나머지 부분 보다 더 높은 굴절율을 가지며 광이 그 내부에서 내부 전반사에 의해 안내되는 광 코어를 형성한다. 우리는 이러한 섬유를 표준 섬유라 지칭한다.
표준 광섬유를 취급 및 가공하기 위한 수많은 잘 확립된 기술 및 기계가 알려져 있다; 예컨대, 말끔한 단부면을 만들기 위해 광섬유를 절단하는 경질 나이프-모서리를 이용하는 클리버(cleaver) 및, 두 가닥의 광섬유의 말단 연결을 위한 고온 전기 아크를 이용한 융합 스플라이서(splicer)를 들 수 있다.
융합-테이퍼링(fusion-tapering)이라는 가공법은 광섬유를 따라 통과하는 광에 어떤 기능을 수행하기 위한 다양한 광섬유 장치를 제조함에 있어 이용되고 있 다. 상기한 가공법에 있어서는, 광섬유의 특정 부분이 연화될 때까지 국부적으로 가열한 다음, 가열된 영역이 국소적으로 가늘게 되도록 연신시킨다. 광섬유를 따라 통과하는 광은 위와 같이 처리된 영역의 협소함에 의해 영향을 받게 된다. 전형적인 테이퍼상의 단일 모드 광섬유에 있어서는, 광은 코어로부터 외측으로 퍼져 나가 코어를 에워싸는 클래딩을 점유한다. 만일 광섬유가 충분히 가늘다면, 광은 코어로부터 완전히 퍼져 나가게 되어 광섬유 전체의 외측 경계에 의해 도파된다. 상기한 광섬유는 가스 화염 중에 집어넣거나, 전기 히터에 근접시키거나, 또는 높은 강도의 레이저 광선에 노출시키는 것에 의해 가열함이 전형적이다.
테이퍼상의 가장 협소한 부분에서 절단되는 테이퍼상 광섬유는 광파장이 비처리 광섬유에서 보다 절단부에서 더 큰 단면을 가지므로 광선 확대기(beam expander)로서 작용한다. 이러한 광선 확대기는 광섬유 내로의 광의 라운칭(launching) 및 광섬유로부터의 광의 추출(ectraction)에 도움이 될 수 있다. 광이 광섬유 외측 경계에서 국소적으로 도파되도록 테이퍼상으로 된 광섬유는 국소 광센서로서 작용할 수 있다. 테이퍼상 영역에 있어서, 광은 광섬유를 에워싸고 있는 매체에 감응성인 반면, 테이퍼 영역 이외의 여타 부분에서는 비감응성이며, 그 이유는 광이 중심 코어에 묻혀있기 때문이다.
함께 평행 접촉하고 있는 테이퍼상으로 된 둘 또는 그 이상의 광섬유는 광섬유 광선-스플리터(beam-splitter)(또는 방향성 결합기(directional coupler)로서 작용할 수 있으며, 하나의 광섬유 내의 적어도 일부의 광은 상기한 협소 영역에서 다른 광섬유로 가로질러 전달된다.
최근 수년간에 있어, 비표준 타입의 광섬유가 실증되어졌으며, 이는 광자결정 광섬유(Photonic-crystal fibre:PCF)라 지칭된다. 전형적으로는, 이 광섬유는, 융합된 실리카 유리와 같은, 단일 고체상의 실질적으로 투명한 소재로 만들어지며, 이 소재는 그 내부에 섬유의 전체 길이를 따라 섬유축에 평행하게 연장되어 뻗어있는 주기적 배열의 공기 홀이 삽입되어 있다. 규칙적인 배열 형태 내에 있어서의 단 하나의 공기 홀의 누락과 같은 형태상의 결함은 표준 섬유에 있어서의 내부 전반사 도파와 유사한 방식으로 광이 도파되는 광섬유 도파 코어로서의 굴절율이 증대된 내부 영역을 형성한다. 광 도파를 위한 다른 메카니즘은 내부 전반사보다는 오히려 광자-대역-갭(Photonic-band-gap) 효과에 기초하고 있다. 광자-대역-갭 도파는 공기 홀 배열을 적절히 디자인하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 특정한 전달 상수를 갖는 광은 코어에 한정될 수 있으며 그 내부에서 전달될 것이다.
광자결정 광섬유는 유리 모세관 및 케인(canes)을 필요한 형상으로 육안적 척도로 스택킹시킨 다음, 이들을 제 위치에 유지시키고, 이들을 함께 융합시키면서 하방으로 인발하는 것에 의해서 광섬유로 제조될 수 있다.
PCF는 수많은 기술적으로 중요한 특성을 갖고 있다; 예컨대, 광범위한 파장 범위에 걸쳐 단일 모드를 지원할 수 있으며, 큰 모드 영역을 가질 수 있으므로 높은 광학력(optical power)을 전달할 수 있고, 1.55 미크론의 원격통신 파장에서 큰 상분산(常分散:normal dispersion)을 나타낼 수가 있다. PCF는 전형적으로 원형 대칭이 아니며, 그 결과로서 이들을 제조함에 있어서는 스택인발법(stack -and-draw)이 전형적으로 사용된다.
PCF의 기술적 응용은 표준 섬유에 대하여 위에서 기술한 바와 유사한 취급 및 가공 기술에 의해 용이하게 될 수 있을 것이다. 그러나, 불행하게도, 이들 기술 중 어떤 것들은 PCF에 대해서는 적절치 못하다; 예컨대, 두 가닥의 PCF를 함께 용융접속(fusion splice)시키려는 시도는 이들 내부에 공기가 유입되어 폭발적으로 팽창되므로, 연결하고자 하는 단부가 파괴되어 버리고 만다.
본 발명의 목적은 표준 광섬유 장치와 유사한 PCF 광학 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 상기한 장치의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 다수의 길이 방향의 홀들을 포함하며, 이 홀들 중 적어도 일부는 광섬유 제조 후 열처리되는 영역인 광섬유의 제1 영역 내에서, 광섬유의 제2 영역 내의 홀들의 단면적과는 상이한 단면적을 갖고 있고, 여기서, 열처리 영역 내에서의 광섬유의 광학적 특성이 상기한 영역 내에서의 홀들의 단면적 변화로 인해 변경되어 있는 광자결정 광섬유가 제공된다.
"제조 후(after fabrication)"라는 용어는 광섬유가 인발되어진 이후의 임의의 시간을 의미하는 것으로 받아들여져야만 한다.
사용될 수 있는 열처리 방법은 표준 광섬유의 융합 테이퍼링에 대해 위해서 언급한 바와 동일한 방법이 전형적으로 사용된다. 표준 광섬유와 마찬가지로, 열처리에는 광섬유를 하방으로 협소하게 만들기 위한 연신이 수반될 수 있다. 그러나, 표준 섬유와는 대조적으로, 광섬유를 전혀 연신시키지 않더라도 광학적 특성에 변 화가 초래된다; 그 이유는 열처리에 의해 광섬유 내의 홀들의 일부 또는 전부가 표면 장력의 영향하에 부분적 또는 전체적으로 붕괴(collapse)되기 때문이다. 이것은 연신을 동시에 수행하거나 또는 수행하지 않거나 간에 달성될 수 있다. 더욱이, 홀들의 일부를 내부로부터 가압시키는 경우, 이들이 붕괴되도록 하는 대신에 팽창되도록 만들 수 있으며, 홀들에 대한 미분적 가압은, 원칙적으로, 임의의 패턴의 홀 붕괴 및 팽창을 창출하기 위해 사용될 수 있다. 대부분의 용도에 대한 표준 광섬유의 테이퍼링과 마찬가지로, 비처리 광섬유와 열처리 영역의 중간부 사이의 변위는 허용될 수 있을 정도로 작은 양의 광이 변위를 따라 소실되도록 충분히 점진적이어야 한다(소위, 단열 표준(criterion for adiabaticity)이라 지칭).
홀들의 적어도 일부는 상기한 열처리 영역 내에서 팽창되어진 것일 수 있다.
홀들의 적어도 일부 또는 전부는 상기한 열처리 영역 내에서 적어도 부분적으로 또는 완전히 붕괴된 것일 수 있다.
홀 붕괴 및/또는 팽창 패턴은 원형 대칭이 아닐 수 있다. 광섬유의 복굴절성은 원형 대칭성의 결여에 의해 조절될 수 있다.
상기한 광섬유는 열처리 영역이 협소하게 된 것일 수 있다.
광자결정 광섬유는 광학 장치 내에 포함될 수 있다.
광자결정 광섬유는 모드 장 변성기(mode-field transformer) 내에 포함될 수 있으며, 상기한 변성기는 변성기를 통하여 전달되는 도파 모드가 광자결정 광섬유의 열처리 영역을 통하여 전달되는 것에 의해 변화된 장(field) 분포를 가질 수 있도록 배열된다. PCF에 있어 도파 모드의 장 분포 크기 및 형태는 공기 홀들의 상대 적 크기 및 상호 간의 분리 정도에 의존적이다. 따라서, 홀들의 크기를 변화(또는 전체 섬유의 협소화)시키기 위해 열처리된 PCF는 모드 장 변성기로 작용할 수 있다.
광자결정 광섬유는 다모드로부터 단일 모드 변성기 또는 모드 필터에 포함될 수 있으며, 광섬유의 상기한 비처리 영역은 다모드이고 열처리 영역은 적어도 하나의 광파장에 대해 단일 모드이다. 상기한 처리 영역을 통하여 전달되는 광은 단일 모드로 될 것이며 상기한 광이 다른 모드들을 지원할 수 있는 비처리 영역을 통과할 때에도 실질적으로 단일 모드로 유지될 것이다; 이상적인 광섬유에 있어서는 이들 가른 모드들은 여기되지 않은 상태로 남아있게 될 것이다.
광자결정 광섬유는 광섬유 인풋- 또는 아웃풋- 커플러에 포함될 수 있으며, 여기서 광자결정 광섬유는 상기한 열처리 영역 내에서 절단된다. 이러한 장치는, 상기한 광섬유가 열처리 영역 내에서 절단되어 있다면, 광섬유의 말단으로의 또는 말단으로부터의 광의 커플링을 향상시키기 위하여 사용될 수 있다.
광섬유 인풋- 또는 아웃풋-커플러는, 하나의 모드가 커플러를 통하여 전달될 때, 절단면에서의 모드 패턴이 외부의 광학 요소의 모드 형상과 실질적으로 매치되도록 배열될 수 있다. 상기한 외부의 광학 요소는 다이오드 레이저일 수 있다. 상기한 모드를 타원형 또는 장방형으로 만드는 것은 다이오드 레이저원으로부터 광섬유 내로의 광의 라운칭을 더욱 효율적으로 만들 것이다. 실제로, 모드 크기를 단순히 확장시키는 것은 다른 출처원으로부터 광섬유 내로의 광의 라운칭을 더욱 용이하게 만들 것이다.
광섬유 커플러는 광섬유 접속부에 포함될 수 있으며, 여기서 광섬유 커플러는 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유와 연결된다. 상기한 연결은, 예컨대, 접착제 또는 접속점(abutment)에 의해 융합될 수 있다.
광섬유 접속부 내에 포함되는 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유 중 적어도 하나는 하기한 것들로부터 선택될 수 있다: 절단된 광자결정 광섬유; 상기한 바와 같은 광섬유 커플러; 표준 광섬유; 또는 열처리 중 연신하여 테이퍼형으로 만든 다음 절단한 표준 섬유. 제어된 홀 붕괴는 PCF 쌍을 함께 용융접속시키는 방법을 제공한다. 먼저, 다루기 곤란한 공기 홀들은, 상기한 바와 같이 각각의 섬유의 일부에서 완전히 붕괴시키는 것에 의해 제거된다. 광섬유를 연신할 필요는 없다. 광섬유는 홀들이 붕괴된 부분에서 절단된 다음, 용융접속될 수 있으며, 그 이유는 파열될 홀들이 존재하지 않으며 모드 장(mode field)이 매치될 것이기 때문이다(만일 광섬유가 동일하지 않다면, 이들 중 하나 또는 양자를 연신시켜서 그 외경이 매치되도록 할 수 있다. 이에 의해서, 이들의 모드 장은 동일하게 될 것이다). 용융접속을 위한 선택적인 방법으로서, 모드 장이 매치되는 두 가닥의 PCF를 통상적인 방법인 접착제를 이용하여 기계적으로 접속시킬 수도 있다.
광이 그 외측 경계에 의해 도파되는 테이퍼형으로 된 표준 광섬유 위치는 홀들이 완전히 붕괴되고 또한 동일한 최종 직경을 갖도록 연신된 PCF와 유사한 모드 장을 갖는다. 따라서, 상기한 접속부는 손실이 낮게 될 것이다.
본 발명에 따른 광자결정 광섬유는 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 외부 환경과의 상호 작용이 열처리 영역에서 증진 또는 억제되도록 배열될 수 있 다. 이러한 광자결정 광섬유는, 예컨대, 모드 장 변성기(mode-field transformer)와 같은 광학 장치 중에 포함될 수 있다. 상기한 상호작용은 광섬유의 외부 환경 측정(measurand)에 대한 정량(measurement)을 용이하게 한다. 상기한 상호 작용은, 예컨대, 외부 광학 요소와의 상호 작용일 수 있다. 상기한 광학 요소는 하나 또는 그 이상의 다른 광학 광섬유를 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 다른 광학 광섬유 중 적어도 하나는 본 발명에 따른 광자결정 광섬유 또는 표준 광섬유일 수 있다. 공기 홀들의 붕괴에 의해 초래되는 모드 장의 퍼짐은 광섬유의 외측 경계에서의 장의 강도를 증대시키게 될 것이다. 상기한 경계에서의 광은 상기한 광섬유의 주위 환경과 자유롭게 상호 작용할 수 있다. 따라서, 외부 환경과의 상호 작용은 홀들의 붕괴(또는 팽창)에 의해서 증진(또는 억제)될 수 있다. 만일 광이 외부 환경에 있어서의 특정한 성질(예컨대, 외부 굴절율)과 상호 작용할 수 있다면, 상기한 처리 광섬유는 환경 센서로서 작용할 수 있을 것이다. 만일 적절한 광학 요소가 상기한 광섬유 다음에 위치한다면, 광학 장치는 상기한 요소와의 상호 작용에 기초한 것으로 만들어질 수 있다. 특히, 상기한 광학 요소는, PCF 또는 표준 광섬유일 수 있으며 표준 광섬유에 있어서 융합 방향성 결합기의 제조와 유사한 방법으로 열처리 중에 첫 번째 광섬유와 융합된 것일 수 있는 적어도 하나의 다른 섬유일 수 있다.
상기한 광학 장치에 있어서의 적어도 두 가닥의 광섬유는 열처리에 의해 적어도 부분적으로 함께 융합되어질 수 있다.
유사하게, 모드 장의 변화는 광섬유의 나머지 부분 내로 도입되어진 임의의 구조를 갖는 코어 내에서의 광의 상호 작용을 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 구조의 예는 회절 격자, 도우핑된 영역(게인(gain)을 제공하도록 광학적으로 펌핑될 수 있음), 또는 사실상 추가적인 도파 코어이다. 이러한 상호 작용에 기초할 수 있는 장치로서는, 방향성 커플러, 분광 필터, 센서 및 레이저, 또는 광학 증폭기를 들 수 있다. 본 발명에 따른 광자결정 광섬유는, 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 상기한 광섬유 내의 도처에 (고의로) 도입되는 구조와의 상호 작용이 상기한 열처리 영역 내에서 증진 또는 억제되도록 배열될 수 있다. 이러한 광자 결정 광섬유는 임의의 광학 장치 내에 포함될 수 있다. 상기한 도입 구조는, 예컨대, 광자결정 광섬유 내의 적어도 하나의 다른 코어 영역; 격자; 또는 도우핑된 재료 영역 중 어느 하나일 수 있다.
상기한 광학 장치는 방향성 커플러, 분광 필터, 광학 센서, 레이저 또는 광학 증폭기(교대로 방향성 커플러를 포함할 수도 있다)와 같은 다른 광학 장치 내에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 하기의 단계로 구성되는 광자결정 광섬유의 제조방법이 제공된다: 다수의 길이 방향 홀들을 갖는 광자결정 광섬유를 제조하고; 상기한 광섬유의 일 영역을 열처리하여 상기한 영역 내의 홀들의 적어도 일부가 상기한 광섬유의 열처리되지 않은 영역의 단면적과는 상이한 단면적을 갖도록 하고, 열처리 영역 내의 광섬유의 광학적 특성을 상기한 영역 내의 홀들의 단면적 변화에 의해 변화시킨다.
상기한 홀들 중 적어도 일부가 열처리 동안에 가압될 수도 있다. 모든 홀들 이 열처리 중에 가압될 수도 있다.
상기한 열처리는 광섬유 내의 공기 홀들의 적어도 일부 또는 전부가 상기한 열처리 영역 내에서 완전히 붕괴되게 할 수도 있다.
상기한 열처리는 원형 대칭이 아닌 홀 붕괴(collapse) 및/또는 팽창(expansion) 패턴이 초래되도록 원형 대칭 방식으로 적용되지 않을 수도 있다. 따라서, 이러한 광섬유의 복굴절성은 열처리 영역 내에서 변화될 수 있다. PCF의 편광 특성은 코어 인근 구조에 의해 좌우된다. 따라서, 공기 홀 크기 및 전체적인 섬유 직경에 대한 제어된 변화는 광섬유의 복굴절성을 변경시키도록 사용될 수 있다.
광섬유는 열처리 중에 연신되어 국소적으로 협소하게 될 수 있다.
열처리는 광섬유 내의 소재 중 적어도 일부의 물리적 및/또는 화학적 상태를 변화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일구체예를 단지 일례로써 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 표준 광섬유에 대한 개략 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 표준 광섬유의 열처리를 나타내는 개략도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 광자결정 광섬유에 대한 개략 단면도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 다른 광자결정 광섬유에 대한 개략 단면도이다.
도 5는 광섬유에 대해 열처리를 수행하기 위한 배열을 나타내는 개략도이다. 도 6은 광자결정 광섬유에 대한 열처리 효과를 나타내는 개략도이다.
도 7은 방향성 커플러 또는 광선(beam)-스플리터에 대한 개략도이다.
도 8은 광섬유 접속부에 대한 개략 종단면도이다.
도 9는 다(multi)코어 광섬유에 대한 개략 종단면도이다.
도 10a는 비열처리 광자결정 광섬유에 대한 개략도이며 도 10b는 복굴절성을 생성시키기 위하여 열처리한 광자결정 광섬유에 대한 개략도이다.
예컨대, 도 1에 나타낸 것과 같은 가장 간단한 형태의 표준 광섬유는 본질적으로 원통상 코어(10)와 동심원적인 원통상 클래딩(20)으로 구성된다. 전형적으로는, 코어와 클래딩 양자는 동일한 소재, 통상적으로는 실리카로 만들어지나, 코어(10)의 굴절율은 높이고 클래딩(20)의 굴절율은 낮추기 위해서 각각은 다른 소재로 도우핑된다. 적절한 파장의 광은 코어(10) 내에 유폐되고, 코어-클래딩 경계(15)에서의 내부 전반사에 의해 코어 내부에서 도파된다.
광섬유의 다른 부분에서의 광학적 특성과는 상이한 광학적 특성을 갖는 연신 및 협소화된 영역을 형성시키기 위하여 표준 섬유를 열처리 및 연신하는 것은 공지되어 있다(도 2a 및 도 2b). 도 2a에서, 광섬유는 클램프(30)에 의해 클램핑된 상태로 유지되어 있으며 그 길이 방향축(40)에 평행한 반대 방향으로 잡아 당겨진다. 광섬유에는 열(50)이 가해진다. 열처리 결과는 도 2b에 나타나 있다: 허리부(60)가 광섬유 내에 형성된다. 코어(10)의 단면적은 크게 감소되며 클래딩(20)도 상당히 협소해진다. 허리부(60)와 광섬유(80)의 나머지 부분 사이에는 전이 영역(transitional area)(70)이 존재한다.
도 3에 나타낸 전형적인 광자결정 광섬유는 그 길이 방향을 따라 뻗어있는 원통상 홀(100)들의 격자를 갖는 투명한 벌크재(90)(예컨대, 실리카) 가닥으로 구성된다. 상기한 홀들은 모자이크식의 정육각형의 중심 및 정점에 배열된다. 상기한 홀들은 규칙적인 주기성을 가지며 광섬유의 중심 인근의 하나의 홀의 생략은 주기성을 깨트린다. 생략된 홀 부위를 에워싸는 광섬유 영역(110)은 벌크재(90)의 굴절율을 가진다. 광섬유의 나머지 부분의 굴절율은 벌크재(90) 및 홀(100) 내의 공기 양자의 굴절율에 의해 결정된다. 공기의 굴절율은, 예컨대, 실리카의 굴절율 보다 낮으며, 결과적으로, 홀을 갖는 소재의 "유효 굴절율"은 생략 홀을 에워싸고 있는 영역(110)의 굴절율 보다 낮다. 따라서, 상기한 광섬유는 표준 광섬유에 있어서 내부 전반사에 의해 도파되는 것과 유사한 방식으로 대략 영역(110)에 광을 유폐시키게 된다. 따라서, 상기한 영역(110)은 광자결정 광섬유의 '코어'로 지칭된다.
광자결정 광섬유의 다른 형태에 있어서, 광자 밴드 갭 도파는 광섬유 '코어'에 광선을 유폐시키는 작용을 한다. 도 4에 나타낸 광섬유와 같은 예에 있어서는, 벌크재(90) 내에 홀(120)의 매트릭스가 존재한다. 상기한 홀은 규칙적인 정육각형의 정점(중심은 제외, 도 3에 나타낸 바와 유사)에 배열된다. 매트릭스의 규칙성은 다시 결함에 의해 깨트려지나, 격자 육각형 중 하나의 중심, 도시된 예에 있어서는, 광섬유의 중심에 인접한 육각형의 중심에 추가적인 홀(130)이 존재한다. 추가적인 홀(130)을 에워싸는 영역을 다시금 광섬유의 코어라 지칭한다. 홀(130)을 잠시 동안 무시하면, 광섬유 내의 홀의 주기성은 광섬유 내에서 전달될 수 있는 광의 전달 상수 중에 밴드-갭이 존재하게 된다. 홀(130)의 추가는 광섬유의 나머지 부분 을 지원하는 전달 상수와는 상이한 전달 상수를 지원할 수 있는 영역을 효과적으로 창출하게 된다. 홀(130) 영역에서 지원되는 몇몇 전달 상수가 광섬유의 나머지 부분에서 금지된 전달 상수의 밴드 갭 범위 내에 있다면, 이러한 전달 상수를 갖는 광은 코어에 유폐되어 그 내부에서 전달될 것이다. 홀(130)은 저지수(low-index) 결함을 갖고 있으므로(그 곳에는 벌크재가 존재하지 않을 것이므로 공기가 존재하게 될 것임), 내부 전반사 효과는 도파와 무관하다는 것을 유의하여야 한다.
광자결정 광섬유의 열처리에 사용하기에 적합한 설비를 도 5에 도시한다. 광섬유(140)는 스테이지(150)에 클램핑되어 고정된 위치에 있게 된다; 광섬유(140)에 대한 고의적인 연신은 전혀 없다. 버너 암(170)을 갖는 버너 스테이지(160)는 스테이지(150) 사이의 광섬유(140) 일부분을 화염(180)이 가열하도록 배열된다. 예컨대, 전기 히터나 이산화탄소 레이저 광선을 이용한 가열을 포함하는 다른 수많은 가열 메카니즘도 본 발명의 수행에 적합할 수 있다는 것을 유의하여야만 할 것이다.
광자결정 광섬유에 대한 열처리 효과의 예를 도 6에 나타낸다. 열처리 영역(200), 비열처리 영역(190) 및, 전이 영역(210)이 존재한다. 도시된 예에 있어서는, 열처리 영역(200) 내의 홀 부분(230)이 비처리 영역(190) 내의 홀 부분(220)과 비교하여 부분적으로 붕괴되어 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 홀들 중 적어도 일부 각각의 단면적은 홀의 길이를 따라 변화된다. 비록 비처리 영역(190) 내의 유리(240)의 단면적은 처리 영역(200) 내의 유리(250)의 단면적과 거의 같을 것이라 하더라도, 광섬유의 전체 직경은 약간 감소될 것이다.
도 7은 본 발명의 광자결정 광섬유를 이용하여 만들어질 수 있는 광학 장치, 즉 방향성 커플러 또는 광선 스플리터의 구조를 도시하고 있다. 두 가닥의 광자결정 광섬유(260,270) 각각에 있어서의 영역(280,290)은 본 발명에 따라 열처리된다. 영역(280,290)은, 예컨대, 동시적인 열처리 또는 다른 그 이상의 열처리에 의해 함께 융합된다. 열처리 영역(280,290) 내에서의 광은 광섬유의 클래딩 영역 내로 연장되며, 그 이유는 홀 붕괴가 클래딩과 코어 사이의 굴절율 차이를 약화시키거나 또는 파괴하기 때문이다. 예컨대, 광섬유(260) 내에서의 전달 광은 영역(280,290)이 함께 융합되어 있는 광섬유 위치에서 광섬유(270) 내로 커플링될 것이다.
표준 광섬유(420)에 대한 광자결정 광섬유(330)의 접속을 도 8에 나타낸다. 각각의 광섬유는 열처리 연신되며 테이퍼상 영역(340,380)을 형성하도록 절단된다. 광자결정 광섬유(330)의 테이퍼상 영역(340)에 있어서, 홀(380)들은 실질적으로 제거된다. 표준 광섬유(420)의 테이퍼상 영역(380)에 있어서는, 코어(410) 및 클래딩(400)의 독립적 실체는 그대로 유지되면서 양자는 테이퍼상이다. 이 두 가닥의 광섬유는 용융접속부(360)에 의해 연결된다.
결함 코어 영역(310) 내에서 전달되는 광 모드(320)는 테이퍼상 영역(340)의 전체 너비를 채우도록 퍼져 나간다. 상기한 영역 내의 모드(350)는 표준 광섬유(420)의 테이퍼상 영역(380) 내의 모드(370)와 매치된다. 테이퍼상 영역(380)으로부터 멀어지면, 광은 표준 광섬유(420)의 통상적인 모드(390)가 된다.
도 9는 다(multi)코어 광자결정 광섬유(440)를 도시하고 있다. 이 도면(도 6,8 및 10과 마찬가지로)은 소수의 홀만을 도시하고 있으나, 실제 광섬유 내에는 수많은 홀들이 존재하고 있음은 물론이다. 홀(430)들은 두 개의 코어(480,490)를 에워싸고 있다; 이들 코어는 광섬유의 비처리 영역 내에서 광학적으로 상호 작용을 일으키지 않는다. 열처리 영역(450)에 있어서는, 홀(430)들이 부분적으로 붕괴되어 있다.
상기한 영역에 있어서는, 코어(480,490)의 어느 한 쪽에서 전달되는 광은 다른 코어 내에서 전달되는 광과 상호 작용을 일으킬 수 있다. 따라서, 열처리 영역(450)은 국소화된 방향성 커플러로써 작용할 수 있다.
도 10a의 광섬유의 코어(510)에 대한 홀(500)들의 정육각 대칭성은, 도 10b의 2배 회전 대칭성(two-fold rotational symmetry)을 산출하도록 열처리에 의해 홀(520)들의 선택적인 붕괴에 의해 깨트려 질 수 있다. 따라서, 이러한 대칭성을 갖는 광섬유가 일반적으로 복굴절성을 나타냄에 따라, 상기한 광섬유의 복굴절성은 열처리 영역 내에서 변경될 수 있다.
Claims (52)
- 다수의 길이 방향의 홀들을 포함하고, 상기 홀들중 광섬유 제조 후 열처리된 영역인 광섬유의 제1 영역 내의 적어도 일부 홀들이 광섬유의 제2 영역 내의 홀들의 단면적과는 상이한 단면적을 갖고 있으며, 상기 열처리 영역 내에서의 광섬유의 광학적 특성이 상기 열처리된 영역 내에서의 홀들의 단면적 변화로 인해 변경되어 있는 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber).
- 제1항에 있어서, 상기 홀들 중 적어도 일부가 상기 열처리 영역 내에서 팽창(expand)되어 있는 광자결정 광섬유.
- 제1항에 있어서, 상기 홀들 전부가 상기 열처리 영역 내에서 팽창되어 있는 광자결정 광섬유.
- 제1항에 있어서, 상기 홀들 중 적어도 일부가 상기 열처리 영역 내에서 부분적으로 붕괴(collapse)되어 있는 광자결정 광섬유.
- 제1항에 있어서, 상기 홀들 중 적어도 일부가 상기 열처리 영역 내에서 완전히 붕괴되어 있는 광자결정 광섬유.
- 제1항에 있어서, 상기 홀들 전부가 상기 열처리 영역 내에서 완전히 붕괴되어 있는 광자결정 광섬유.
- 제1항에 있어서, 상기 홀이 비원형 대칭적으로 붕괴, 팽창, 또는 붕괴 및 팽창된 것으로 인해, 상기 열처리 영역에서 상기 광섬유의 복굴절성(birefringnece)이 변경된 광자결정 광섬유.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 광섬유가 상기 열처리 영역 내에서 협소화(narrow)되어 있는 광자결정 광섬유.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광자결정 광섬유를 포함하는 광학 장치(optical device).
- 변성기(transformer)를 통하여 전달되는 도파 모드가 광자결정 광섬유의 열처리 영역을 통하여 전달되는 것에 의해 변화된 장(field) 분포를 갖도록 배열되는, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광자결정 광섬유를 포함하는 장 변성기(mode-field transformer).
- 광자결정 광섬유의 비처리 영역은 다(multi)모드이고 열처리 영역은 적어도 하나의 광파장에 대해 단일 모드인, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광자결정 광섬유를 포함하는 다모드로부터 단일 모드로의 변성기 또는 모드 필터.
- 광자결정 광섬유가 열처리 영역 내에서 절단(cleavage)되어 있는, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광자결정 광섬유를 포함하는 광섬유 인풋- 또는 아웃풋-커플러.
- 제13항에 있어서, 상기 커플러가, 하나의 모드가 커플러를 통하여 전달될 때상기 열처리 영역 내의 절단면에서의 모드 패턴이 외부 광학 요소(external optical element)의 모드 형상과 실질적으로 매치되도록 배열되는 광섬유 인풋- 또는 아웃풋-커플러.
- 제14항에 있어서, 상기 외부 광학 요소가 다이오드 레이저인 광섬유 인풋- 또는 아웃풋-커플러.
- 상기 광섬유 커플러가 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유와 연결되는, 제13항에 따른 광섬유 인풋- 또는 아웃풋-커플러를 포함하는 광섬유 스플라이스(splice).
- 제16항에 있어서, 상기 광섬유 커플러가 용융(fusion)에 의해 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유와 연결되는 광섬유 스플라이스.
- 제16항에 있어서, 상기 광섬유 커플러가 접착제에 의해 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유와 연결되는 광섬유 스플라이스.
- 제16항에 있어서, 상기 광섬유 커플러가 접속점(abutment)에 의해 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유와 연결되는 광섬유 스플라이스.
- 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유 중 적어도 하나가 절단된 광자결정 광섬유인 광섬유 스플라이스.
- 제20항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유 중 적어도 하나가 제13항에 따른 광섬유 커플러인 광섬유 스플라이스.
- 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유가 표준 광섬유인 광섬유 스플라이스.
- 제22항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 표준 광섬유가 열처리 중에 연신되어 테이퍼상으로 만든 다음 절단된 것인 광섬유 스플라이스.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광자결정 광섬유가, 상기 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 외부 환경과의 상호 작용이 열처리 영역 내에서 증진 또는 억제되도록, 배열되는 광자결정 광섬유.
- 광자결정 광섬유가, 상기 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 외부 환경과의 상호 작용이 열처리 영역 내에서 증진 또는 억제되도록, 배열되는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 광자결정 광섬유를 포함하는 광학 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 광학 장치가 모드 장 변성기(mode-field transformer)인 광학 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 외부 환경과의 상호 작용이 광섬유의 외부 환경 측정(measurand)의 정량(measurement)을 용이하게 하는 광학 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 외부 환경과의 상호 작용이 외부 광학 요소와의 상호 작용인 광학 장치.
- 제28항에 있어서, 상기 외부 광학 요소가 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유를 포함하는 광학 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 광섬유 중 적어도 하나가, 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 외부 환경과의 상호 작용이 열처리 영역 내에서 증진 또는 억제되도록, 배열되는 광자결정 광섬유인 광학 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 다른 광섬유가 표준 광섬유인 광학 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 광섬유가 열처리에 의해 적어도 두 가닥 이상이 부분적으로 함께 융합되는 광학 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광자결정 광섬유가, 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 상기 광섬유의 여러 곳에 도입된 구조와의 상호 작용이 열처리 영역 내에서 증진 또는 억제되도록, 배열되는 광자결정 광섬유.
- 광자결정 광섬유가, 광자결정 광섬유 내에서 전달되는 광과 상기 광섬유의 여러 곳에 도입된 구조와의 상호 작용이 열처리 영역 내에서 증진 또는 억제되도록, 배열되는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 광자결정 광섬유를 포함하는 광학 장치.
- 제34항에 있어서, 상기 도입 구조가 상기한 광자결정 광섬유 내의 적어도 하나의 다른 코어 영역인 광학 장치.
- 제34항에 있어서, 상기 도입 구조가 격자(grating) 구조인 광학 장치.
- 제34항에 있어서, 상기한 도입 구조가 도핑된 재료 영역인 광학 장치.
- 제33항에 따른 광학 장치를 포함하는 방향성 커플러.
- 제33항에 따른 광학 장치를 포함하는 분광 필터.
- 제33항에 따른 광학 장치를 포함하는 광학 센서.
- 제33항에 따른 광학 장치를 포함하는 레이저 또는 광학 증폭기.
- 제38항에 따른 방향성 커플러를 포함하는 레이저 또는 광학 증폭기.
- 하기의 단계를 포함하는 광자결정 광섬유의 제조방법:(a) 다수의 길이 방향 홀들을 갖는 광자결정 광섬유를 제조하는 단계; 및(b) 상기 광섬유의 일 영역을 열처리하여 상기 열처리한 영역 내의 홀들 중 적어도 일부가 광섬유의 열처리되지 않은 영역의 단면적과는 상이한 단면적을 갖도록 하고, 상기 열처리 영역 내의 광섬유의 광학적 특성을 상기 열처리 영역 내의 홀들의 단면적 변화에 의해 변화시키는 단계.
- 제43항에 있어서, 상기 홀들 중 적어도 일부가 열처리 중에 가압되는 광자결정 광섬유의 제조방법.
- 제44항에 있어서, 상기한 홀들 모두가 열처리 중에 가압되는 광자결정 광섬유의 제조방법.
- 제43항 또는 제44항에 있어서, 상기 열처리가 광섬유 내의 홀들 중 적어도 일부가 상기 열처리 영역 내에서 적어도 부분적으로 붕괴되도록 하는 것인 광자결정 광섬유의 제조방법.
- 제43항 또는 제44항에 있어서, 상기 열처리가 광섬유 내의 홀들 중 적어도 일부를 상기 열처리 영역 내에서 완전히 붕괴하도록 하는 것인 광자결정 광섬유의 제조방법.
- 제47항에 있어서, 상기 열처리가 광섬유 내의 홀들 전부를 상기 열처리 영역 내에서 완전히 붕괴하도록 하는 것인 광자결정 광섬유의 제조방법.
- 제43항 또는 제44항에 있어서, 상기 열처리가 비원형 대칭적으로 적용되어 상기 홀을 비원형 대칭적으로 붕괴, 팽창, 또는 붕괴 및 팽창시켜, 상기 광섬유의 복굴절성이 상기 열처리 영역에서 변경되게 한 광자결정 광섬유의 제조방법.
- 삭제
- 제43항 또는 제44항에 있어서, 상기 광섬유가 국소적으로 협소화되도록 열처리 중에 연신되는 단계를 포함하는 광자결정 광섬유의 제조방법.
- 제43항 또는 제44항에 있어서, 상기 열처리가 광섬유내 소재 중 적어도 일부를 물리적 또는 화학적으로 그 상태를 변화시키는 단계를 포함하는 광자결정 광섬유의 제조방법.
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GB9903918.2 | 1999-02-19 | ||
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