KR100664716B1 - 굽힘에 민감한 광섬유 - Google Patents

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Abstract

광섬유에 가해진 물리적인 굽힘에 의한 도파되는 광 에너지 감쇄값이 단일 모드 광섬유(SMF)보다 크고 변화 범위가 넓으면서 전 파장 대역에서 감쇄가 일어나는 굴절률 분포 구조(refractive index profile)를 갖는 굽힘에 민감한 광섬유(bending-sensitive optic fiber; BSF)가 제공된다. 본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 내부 코어 영역, 내부 코어 영역의 양측면에 위치하며, 내부 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 외부 코어 영역 및 외부 코어 영역의 양측면에 위치하며, 외부 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래드 영역을 포함한다.
도파, 광섬유, 굽힘, 광 에너지 변환, 굴절률 분포

Description

굽힘에 민감한 광섬유{Bending-sensitive optic fiber}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적인 굽힘(bending)에 민감한 광섬유의 굴절률 분포(refractive index profile)를 실제 제작 과정상 생길수 있는 여러가지 현상을 고려하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유의 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄 변화를 3차원 유한 차분 빔 전파 기법으로 전산모의(simulation)하기 위해 광섬유에 가해지는 굽힘을 이론적으로 등가화 한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유의 굴절률 하강 영역의 굴절률의 크기를 변화시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유의 굴절률 하강 영역의 폭을 변화시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유의 외부 코어의 굴절률 크기를 변화 시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유의 외부 코어 반지 름을 변화 시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유의 외부 코어 영역의 굴절률의 크기의 변동폭을 변화시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 물리적인 굽힘이 가해졌을 때 단일 모드 광섬유의 광 에너지 감쇄 보다 더 높은 광 에너지 감쇄를 보이는 광섬유의 여러가지 굴절률 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유의 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 여러가지 굴절률 분포의 광섬유를 동일 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄 크기에 따라 단일 모드 광섬유의 코어 굴절률 보다 낮은 굴절률을 가지는 코어 영역과 클래드 영역으로 이루어진 광섬유를 기준으로 했을 때 서로 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 구조로 이루어진 굽힘에 민감한 광섬유가 양 끝단에 단일 모드 광섬유와 결합한 상태에서 굽힘에 민감한 광섬유에 굽힘이 가해졌을 때 입력광에 대한 출력광의 변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 단일 모드 및 단일 모드 광섬유 코어 굴절률보다 낮은 광섬유의 결과와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 보이는 굴절률 구조를 가지는 실제 제작된 굽힘에 민감한 광섬유가 양 끝단에 단일 모드 광섬유가 결합되어 있는 상태에서 굽힘에 민감한 광섬유에 굽힘이 가해 졌을 때 최고 굽힘 지점에서의 모드 프로파일과 단일 모드 광섬유의 출력단에서의 모드 프로파일을 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 구조로 실제 제작한 굽힘에 민감한 광섬유의 측정된 굴절률 분포이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 구조로 실제 제작된 굽힘에 민감한 광섬유의 출력 단면에서 찍은 모드 사진과 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 도출한 모드 단면을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 구조로 실제 제작된 굽힘에 민감한 광섬유에 물리적인 굽힘을 가하기 위한 실험 구조를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 분포로 실제 제작된 굽힘에 민감한 광섬유의 양 끝단에 단일 모드 광섬유를 결합시켰을 때 굽힘에 민감한 광섬유에 가해진 굽힘으로 인한 입력광에 대한 출력광의 변화를 단일 모드 광섬유와 비교하여 나타낸 그래프이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
100: 내부 코어 영역
110: 굴절률 하강 영역
120: 외부 코어 영역
130: 클래드 영역
본 발명은 광섬유에 가해진 물리적인 굽힘(bending) 변화에 대해 도파되는 광 에너지 감쇄 변화가 단일 모드 광섬유(single mode optic fiber; SMF)의 광 에너지 감쇄변화 보다 크고 민감한 광섬유에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유에 가해진 물리적인 굽힘에 의한 도파되는 광 에너지 감쇄값이 단일 모드 광섬유(SMF)보다 크고 변화 범위가 넓으면서 전 파장 대역에서 감쇄가 일어나는 굴절률 분포 구조(refractive index profile)를 갖는 굽힘에 민감한 광섬유(bending-sensitive optic fiber; BSF)에 관한 것이다.
최근 인터넷 사용이 일반화되고 정보 통신에 대한 생활의 의존도가 높아지면서 급증하는 통신 수요를 효과적으로 수용하기 위해 광 전송 선로의 보급이 일반화 되고 있다. 따라서 광 전송 선로는 지금 전국 곳곳에 거미줄처럼 뻗어져 있고 이러한 광 전송 선로의 단일 모드 광섬유(SMF)를 이용하여 여러가지 변화를 감지를 할 수 있는 센서가 많이 연구 되고 있다.
하지만 기존의 단일 모드 광섬유(SMF)를 이용한 센서의 경우에는 클래드(clad)와 코어(core) 사이의 굴절률 차이가 일정하여 센서의 감지 영역이 특정 파장에 국한되어 있고 감지 영역이나 민감도 등에서도 취약한 문제점이 있었다. 이러한 점을 탈피하기 위해 코어나 클래드 사이에 이물질을 넣거나 코어나 클래드 의 모양 자체를 변화시키는 여러가지 방법이 나와 있지만 실제 표준형 단일 모드 광섬유(SMF)의 생산공정을 이용하여 대량 생산을 하기에는 많은 문제점이 있다.
따라서, 단일 모드 광섬유(SMF)의 생산 공정에서 광섬유의 구조를 용이하게 제어 할 수 있고 광에너지가 도파되는 전 파장 대역에서 쉽게 광 에너지의 세기를 조절할 수 있으면서 광 에너지의 감쇄 변화 범위가 넓은 광섬유에 대한 필요성이 증대되어 왔다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 단일 모드 광섬유(SMF)의 제작 공정을 통해 쉽게 제작할 수 있고 광섬유에 가해지는 물리적인 굽힘을 통해 광에너지가 도파되는 전 파장 대역에서 용이하게 광 에너지의 세기를 제어 할 수 있는 광 에너지의 감쇄 영역 범위가 넓은 굴절률 분포 구조를 갖는 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 내부 코어 영역, 상기 내부 코어 영역의 양측면에 위치하며, 상기 내부 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 외부 코어 영역 및 상기 외부 코어 영역의 양측면에 위치하며, 상기 외부 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래드 영역을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 상기 내부 코어 영역의 중심부에 위치하며, 상기 내부 코어 영역의 굴절률보다 낮고 상기 클래드 영역의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 굴절률 하강 영역을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 상기 굴절률 하강 영역의 폭은 상기 내부 코어 영역의 폭의 0.001 배보다 크고 상기 내부 코어 영역의 폭의 1 배보다 작은 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 굴절률 하강 영역의 굴절률의 차이는 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 클래드 영역의 굴절률의 차이의 0.001 배 보다 크거나 같고 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 클래드 영역의 굴절률의 차이의 1 배 보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 차이는 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 클래드 영역의 굴절률의 차이의 0.001 배보다 크거나 같고 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 클래드 영역의 굴절률의 차이의 1 배 보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 크기는 소정의 폭을 주기로 변동하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 최대값과 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 최소값의 차이는 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 최소값의 차이의 0.001배 보다 크거나 같고 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 최소값의 차이 1 배 보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 상기 외부 코어 영역의 폭은 상기 내부 코어 영역의 폭의 0.001 배 보다 크거나 같고 상기 내부 코어 영역의 13 배 보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적인 굽힘(bending)에 민감한 광섬유의 굴절률 분포(refractive index profile)를 실제 제작 과정상 생길수 있는 여러가지 현상을 고려하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유는 내부 코어 영역(100), 굴절률 하강 영역(110), 외부 코어 영역(120) 및 클래드 영역(130)을 포함한다. 굴절률 하강 영역(110)은 내부 코어 영역(100)의 중심부에 위치하며, 내부 코어 영역(100)의 굴절률보다 낮고 클래드 영역(130)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖고, 외부 코어 영역(120)은 내부 코어 영역(100)의 양측면에 위치하며, 내부 코어 영역(100)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다. 그리고 클래드 영역(130)은 외부 코어 영역(120)의 양측면에 위치하며, 외부 코어 영역(120)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다. 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 크기는 외부 코어 영역(120)의 폭의 범위에서 골 모양(140) 형태로 변동될 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄 변화를 3차원 유한 차분 빔 전파 기법으로 전산모의(simulation)하기 위해 광섬유에 가해지는 굽힘을 이론적으로 등가화한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)는 경계조건과 파동 방정식을 이용하여 해을 구하기가 쉽지 않으므로 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 특성을 분석하기 위해 여러 가지 전산모의 방법 중에서 광 소자의 해석에 많이 쓰이고 있는 3차원 유한 차분 빔 전파기법(3D FD-BPM; 3 dimensional finite difference-beam propagation method)을 이용하였다. 해석 영역은 3차원 유한 차분 빔 전파기법(3D FD-BPM)에 적합하게 해석영역을 유한 영역으로 차분 하였고 해석영역 범위는 x=125 um, y=350um, z=3000um 로 두었으며 각 축의 차분 격자의 최대 크 기는 Δx = Δy = Δz = 0.5um 로 하였다. 또한 전산모의시 계산영역의 제한으로 인한 계산영역 경계면에서의 반사를 줄이기 위해 완전 흡수체 (PML; perfect matched layer)를 두었다. 굽힘에 민감한 광섬유(BSF) 자체에 가해진 굽힘 모양을 가우시안 함수 형태라 가정하였고
Figure 112004015451217-pat00001
의 관계식을 이용하여 등가화하였다. 여기서 z 0 는 최대 굽힘 지점이며, a 0 는 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)에 가해지는 최대 굽힘의 높이, w 는 가우시안 함수의 폭을 나타내는데, 3차원 유한 차분 빔 전파기법 (3D FD-BPM) 을 이용한 전산모의시 요구되는 수직 입사조건을 만족하기 위해 w=450 um 로 두었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 굴절률 하강 영역(110)의 굴절률의 크기를 변화시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
굴절률 하강 영역(110)의 폭(Din)이 내부 코어 영역(100)의 폭(D)의 0.2배와 0.8배일 때 각각의 경우에 대하여 내부 코어 영역(100)의 굴절률과 굴절률 하강 영역(110)의 굴절률의 차이(nd)를 내부 코어 영역(100)의 굴절률과 클래드 영역(130)의 굴절률의 차이(nh)의 0.001 배에서 1 배 사이의 범위에서 0.1 배씩 증가하면서 광 에너지 감쇄 변화를 나타내었다. 이때 동일 굽힘에 대하여 내부 코어 영역(100)의 굴절률과 굴절률 하강 영역(110)의 굴절률의 차이(nd)가 커질수록 광 에너지 감쇄는 증가한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 굴절률 하강 영역(110)의 폭을 변화시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄 변화를 3 차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
내부 코어 영역(100)의 굴절률과 굴절률 하강 영역(110)의 굴절률의 차이(nd)를 내부 코어 영역(100)의 굴절률과 클래드 영역(130)의 굴절률의 차이(nh)의 0.42배로 설정한 상태에서 굴절률 하강 영역(110)의 폭(Din)을 내부 코어 영역(100)의 폭(D)의 0.1배 에서 0.9 배의 범위 사이에서 0.1 배씩 증가시켜 광 에너지 감쇄를 전산모의하였다. 이 때 동일한 굽힘 조건에 대하여 내부 코어 영역(100)의 굴절률과 굴절률 하강 영역(110)의 굴절률의 차이(nd)가 고정된 상태에서 굴절률 하강 영역(110)의 폭(Din)이 증가할수록 광 에너지 감쇄는 증가한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 외부 코어 영역(120)의 굴절률 크기를 변화시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄 변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
내부 코어 영역(100)의 굴절률과 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 차이(nh-nh’)는 내부 코어 영역(100)의 굴절률과 클래드 영역(130)의 굴절률의 차이(nh)의 0.1 배에서 1 배 사이의 범위에서 0.1 배씩 증가할 때 동일 굽힘 조건에 대한 광 에너지 감쇄를 전산모의 하였다. 외부 코어 영역(120)의 굴절률이 내부 코어 영역(100)의 굴절률에 가까워 질수록 동일 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄가 증가한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 외부 코어 영역(120)의 폭을 변화시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄 변화를 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
외부 코어 영역(120)의 반지름과 내부코어 영역의 반지름의 차를 d라고 정의하였고, 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 크기는 소정의 폭을 주기로 변동하며 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 크기의 변동 주기(Λ)를 3.75um 로 정하였다. 이때 외부 코어 영역(120)의 반지름과 내부코어 영역의 반지름의 차(d)가 변동 주기(Λ) 값과 같을 경우를 기본 단위로 한 후 외부 코어 영역(120)의 반지름과 내부코어 영역의 반지름의 차(d)를 기본 단위의 15 배까지 변화시켜 동일 굽힘에 대한 외부 코어 영역(120)의 폭(d) 변화에 대한 광 에너지 감쇄 변화를 전산모의하였다. 외부 코어 영역(120)의 폭(d)이 증가할수록 동일 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄가 증가하였으며 동일 굽힘에 대하여 외부 코어 영역(120)의 폭(d)이 내부 코어 영역(100)의 폭(2r)의 2배를 넘어서면 약 -3 dB 의 광 에너지 감쇄를 보인다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 크기의 변동폭을 변화시켰을 때 동일 굽힘 조건에 대하여 광 에너지 감쇄변화를 3 차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그래프이다.
외부 코어 영역(120)의 굴절률의 최대값과 상기 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 최소값의 차이(nt)를 내부 코어 영역(100)의 굴절률과 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 최소값의 차이(nh’)의 0.001 배에서 1 배 사이의 범위에서 0.125배씩 증가시킬 때 동일 굽힘에 대하여 광 에너지 감쇄는 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 최대값과 상기 외부 코어 영역(120)의 굴절률의 최소값의 차이(nt)가 커질수록 증가함을 보여준다.
도 8은 물리적인 굽힘이 가해졌을 때 단일 모드 광섬유(SMF)의 광 에너지 감쇄 보다 더 높은 광 에너지 감쇄를 보이는 광섬유의 여러가지 굴절률 구조를 나타낸 도면이다.
동일 굽힘에 대하여 단일 모드 광섬유(SMF)의 광에너지 감쇄 변화보다 더 크고 민감한 감쇄 변화를 보이는 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)는 다음과 같다. 단일 모드 광섬유(SMF)의 코어 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 코어 영역과 클래드 영역으로 이루어진 광섬유(810), 단일 모드 광섬유(SMF)의 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 내부 코어 영역과 내부 코어 영역의 굴절률보다 낮고 클래드 영역의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 외부 코어 영역 그리고 클래드 영역으로 이루어진 광섬유(820), 내부 코어 영역과 내부 코어 영역의 굴절률보다 낮고 클래드보다 높은 굴절률을 갖으며 굴절률의 크기가 소정의 폭을 주기로 변동하는 외부 코어 영역 그리고 클래드 영역으로 이루어진 광섬유(830), 단일 모드 광섬유(SMF)의 코어 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖으며 굴절률 하강 영역을 포함하는 코어 영역과 클래드 영역으로 이루어진 광섬유(840), 단일 모드 광섬유(SMF)의 코어 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖으며 굴절률 하강 영역을 포함하는 내부 코어 영역과 내부 코어 영역보 다 낮고 클래드보다 높은 굴절률을 갖는 외부 코어 영역 그리고 클래드 영역으로 이루어진 광섬유(850), 단일 모드 광섬유(SMF)의 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖으며 굴절률 하강 영역을 포함하는 내부 코어영역과 내부 코어 영역보다 낮고 클래드보다 높은 굴절률을 갖으며 굴절률의 크기가 소정의 폭을 주기로 변동하는 외부 코어 영역 그리고 클래드 영역으로 이루어진 광섬유(860)가 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 여러가지 굴절률 분포의 광섬유를 동일 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄 크기에 따라 단일 모드 광섬유(SMF)의 코어 굴절률 보다 낮은 굴절률을 갖는 코어 영역과 클래드 영역으로 이루어진 광섬유(810)를 기준으로 했을 때 서로 비교하여 나타낸 그래프이다.
굴절률 하강 영역이 없는 내부 코어 영역(100)과 굴절률의 크기가 변동되지 않는 외부 코어 영역 그리고 클래드 영역으로 이루어진 광섬유(820)가 굽힘에 가장 민감하고, 상기 광섬유의 외부 코어 영역의 굴절률의 크기가 소정의 폭을 주기로 변동되는 경우(830, 860)나 내부 코어 영역에 위치한 굴절률 하강 영역이 존재하는 경우(850, 860)는 상대적으로 굽힘에 대한 광에너지 감쇄 정도가 낮아진다. 하지만 단일 모드 광섬유(SMF)의 코어 영역의 굴절률보다 낮은 코어 영역과 클래드 영역만으로 이루어진 광섬유에 굴절률 하강 영역이 존재하는 경우(850, 860)에는 굴절률 하강영역의 존재로 인해 굽힘에 대한 민감도는 증가한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 구조(860)로 이루어진 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)가 양 끝단에 단일 모드 광섬유(SMF)와 결합한 상태에서 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)에 굽힘이 가해졌을 때 입력광에 대한 출력광의 변화를 3 차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 단일 모드 광섬유(SMF)및 단일 모드 광섬유의 코어 영역의 굴절률보다 낮은 광섬유(n < nSMF)의 결과와 비교하여 나타낸 그래프이다.
유한 차분 빔 전파기법 (3D FD-BPM) 을 사용하여 단일 모드 광섬유(SMF)와 단일 모드 광섬유의 코어 영역의 굴절률의 0.63배의 코어 영역과 클래드 영역(130)으로 이루어진 광섬유(n < nSMF) 및 굽힘에 민감한 굴절률 구조(860)를 가지는 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄 특성을 서로 비교하여 나타내었다. 굽힘 높이가 52 um 일때 0.63 배의 단일 모드 광섬유 코어 굴절률을 가지는 광섬유(n < nSMF)는 단일 모드 광섬유(SMF)의 광 에너지 감쇄량 보다 2.67배, 굽힘에 민감한 굴절률 구조(860)를 가지는 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)는 5 배의 광 에너지 감쇄량을 나타내고 있다. 전산모의 결과를 바탕으로 볼 때 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)는 코어 영역의 굴절률만 낮춘 광섬유보다 굽힘에 더 민감한 광에너지 감쇄 현상을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 보이는 굴절률 구조(860)를 가지는 실제 제작된 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)가 양 끝단에 단일 모드 광섬유(SMF)가 결합되어 있는 상태에서 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)에 굽힘이 가해졌을 때 최고 굽힘 지점에서의 모드 프로파일과 단일 모드 광섬유(SMF)의 출력단에서의 모드 프로파일을 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 나타낸 그 래프이다.
굽힘에 민감한 광섬유(BSF)는 굽힘이 가해졌을 시(a0=8um) 굽힘에 민감한 광섬유(BSF) 내부 코어 영역(100)에 있는 광 에너지가 쉽게 외부 코어 영역(120)으로 결합하여 클래드 영역(130)으로 빠져 나가는 것을 알 수있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 구조(860)로 실제 제작한 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 측정된 굴절률 분포이다.
제작된 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)는 내부 코어 영역(100), 외부 코어 영역(120), 내부 코어 영역(100)의 중심부에 위치한 굴절률 하강 영역 (110) 그리고 클래드 영역(130)으로 이루어져 있음을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 구조(860)로 실제 제작된 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 출력 단면에서 찍은 모드 사진과 3차원 유한 차분 빔 전파기법으로 전산모의하여 도출한 모드 단면을 비교하여 나타낸 도면이다.
유한 차분 빔 전파기법을 사용하여 구한 모드 분포는 굽힘을 주지 않았을 때(a0=0um) 굴절률 하강 영역(110)과 외부 코어 영역(120)이 환의 형태로 내부 코어 영역(100)과 구분되는 것을 보여 주는데 이는 실제 실험 측정치와 동일한 특성을 나타내 주고 있다. 또한 굽힘을 주었을 때(a0>>64um) 유한 차분 빔 전파기법을 사용하여 구한 모드 분포를 살펴보면 내부 코어 영역(100)에 있던 대부분의 광 에너지가 도파되지 않고 클래드 영역(130)으로 빠져 나가는데 이 역시 실제 제작한 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)에 급격한 굽힘을 주어 측정한 실험치와 마찬가지로 동 일한 경향을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 구조(860)로 실제 제작된 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)에 물리적인 굽힘을 가하기 위한 실험 구조를 나타낸 도면이다.
굽힘에 민감한 광섬유(1430)의 양 끝단에 단일 모드 광섬유(1410, 1440)를 결합 시킨뒤 굽힘에 민감한 광섬유(1430)의 하층부에 탄력이 있는 물질(1450)을 깔고 굽힘에 민감한 광섬유(1430)의 상층부에 위치한 원형 구조체(1420)에 압력(또는 무게)을 주어 반원 모양의 굽힘을 만들었다. 원형 구조체(1420)에 가해지는 압력(또는 무게)이 증가 할수록 굽힘에 민감한 광섬유(1430)에 가해지는 굽힘도 증가하게 된다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘에 민감한 특성을 나타내는 굴절률 분포(860)로 실제 제작된 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)의 양 끝단에 단일 모드 광섬유(SMF)를 결합시켰을 때 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)에 가해진 굽힘으로 인한 입력광에 대한 출력광의 변화를 단일 모드 광섬유(SMF)와 비교하여 나타낸 그래프이다.
굽힘에 민감한 광섬유(1430)의 상층부에 위치한 원형 구조체(1420)에 가해지는 무게로 굽힘의 크기를 조절 하였으며 가해지는 무게는 0g 에서 95 g 의 범위 사이에서 변화 시켰다. 상기 변화 범위에서 단일 모드 광섬유(SMF)를 도파하는 광 에너지는 감쇄가 거의 일어 나지 않는 반면 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)는 최고 -20 dB 의 광 에너지 감쇄를 보였고 가해지는 무게가 증가 함에 따라 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)를 도파하는 광 에너지의 감쇄도 증가하였다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 단일 모드 광섬유(SMF)의 제작 공정을 통해 쉽게 제작할 수 있고 광섬유에 가해지는 물리적인 굽힘을 통해 전 파장 대역에서 용이하게 도파되는 광 에너지의 세기를 제어 할 수 있는 광 에너지의 감쇄 영역 범위가 넓은 굴절률 분포 구조를 갖는 굽힘에 민감한 광섬유(BSF)를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 내부 코어 영역;
    상기 내부 코어 영역의 양측면에 위치하고 상기 내부 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 외부 코어 영역;
    상기 외부 코어 영역의 양측면에 위치하고 상기 외부 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래드 영역; 및
    상기 내부 코어 영역의 중심부에 위치하고 상기 내부 코어 영역의 굴절률보다 낮고 상기 클래드 영역의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 굴절률 하강 영역을 포함하며,
    상기 외부 코어 영역의 굴절률의 크기는 소정의 폭을 주기로 변동하는 것을 특징으로 하는 굽힘에 민감한 광섬유.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 굴절률 하강 영역의 폭은 상기 내부 코어 영역의 폭의 0.001 배보다 크고 상기 내부 코어 영역의 폭의 1 배보다 작은 것을 특징으로 하는 굽힘에 민감한 광섬유.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 굴절률 하강 영역의 굴절률의 차이는 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 클래드 영역의 굴절률의 차이의 0.001 배 보다 크거나 같고 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 클래드 영역의 굴절률의 차이의 1 배 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 굽힘에 민감한 광섬유.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 차이는 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 클래드 영역의 굴절률의 차이의 0.001 배보다 크거나 같고 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 클래드 영역의 굴절률의 차이의 1 배 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 굽힘에 민감한 광섬유.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 외부 코어 영역의 굴절률의 최대값과 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 최소값의 차이는 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 최소값의 차이의 0.001배 보다 크거나 같고 상기 내부 코어 영역의 굴절률과 상기 외부 코어 영역의 굴절률의 최소값의 차이 1 배 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 굽힘에 민감한 광섬유.
  8. 삭제
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