KR100712478B1 - 가변형 광 감쇄기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 감쇄기에 관한 것으로 특히, 에칭된 광섬유와 광학 폴리머와 광학 폴리머에 압력을 가하는 수단으로써의 압전 액츄에이터를 이용한 소형 광 감쇄기에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 광 감쇄기는 중단 일부를 에칭하여 에칭부가 형성된 단일모드 광섬유와 ; 상기 광섬유의 에칭부에 코팅된 광학용 폴리머와 ; 상기 폴리머에 압력을 가하는 가압 수단과 ; 상기 온도유지를 위한 항온 수단으로 구성되어

광섬유를 절단하지 않고 감쇄기를 제작하므로 광섬유 정렬을 하지 않아 삽입 손실을 없앨 수 있고, 광섬유의 정렬 등의 까다롭고 값비싼 공정을 줄일 수 있으며, 가압 수단의 구동에 의하여 폴리머에 압력 변화를 인가하고 인가된 압력 변화에 의하여 감쇄량을 변화시킴으로서 수msec이하의 빠른 응답성을 갖는 전 광섬유 가변형 광 감쇄기를 제공할 수 있다.

광 감쇄기, 광학 폴리머, 압전 액츄에이터, 압력-광학

Description

가변형 광 감쇄기{A variable optical attenuator}

도 1은 본 발명에 따른 광 감쇄기의 구성을 광섬유의 길이방향으로 절단한 상태에서 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 광 감쇄기의 일예를 광섬유의 길이방향으로 절단한 상태에서 도시한 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 광 감쇄기의 인가전압에 따른 감쇄율을 도시한 도표이고,

도 4는 본 발명에 따른 광 감쇄기의 또 다른 일예를 광섬유와 수직방향으로 절단한 상태에서 도시한 단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

101 : 클래드 102 : 코아

103 : 에칭부 104 : 폴리머

105 : TEC쿨러 106 : 압전 액츄에이터

107 : 고정용 에폭시

본 발명은 광섬유 통신에서 광선의 세기를 감쇄시키는 가변형 광 감쇄기에 관련된 것으로서 보다 상세하게는 광학 폴리머의 압력에 따른 굴절률 변화를 이용한 가변형 광 감쇄기에 관한 것이다.

더욱이 본 발명은 압전 액츄에이터를 이용하여 폴리머에 걸리는 압력을 조정함으로써 광 감쇄량을 변화시키는 가변형 광 감쇄기에 관한 것이다.

최근 정보 통신사회로 진입하며 초고속 인터넷에 대한 요구 케이블 텔레비전, 휴대통신에서의 광 중계기등 요구되는 정보의 양이 기하급수적으로 팽창하고 있다.

기존의 동 케이블에서 제공할 수 있는 정보량의 한계를 넘어서고 있으며, 따라서 한 선로에 많은 정보를 전송할 수 있고 원거리 통신이 가능하고 무게도 가벼운 광섬유에 의한 통신이 증대되고 있다.

가변형 광 감쇄기는 이러한 광섬유 통신에 있어서 채널간의 광선의 세기를 일정하게 해줌으로써 모든 채널간의 통신 품질을 일정하게 해주고, 입력 신호의 변화에 대하여 출력 신호를 일정하게 유지시켜 통신 품질을 향상시키는 역할을 한다.

가변 광 감쇄기는 전기적 또는 기계적인 방법으로 광신호의 크기를 외부에서 조절하는 역할을 한다. 광 감쇄기의 용도는 시스템 또는 소자의 광 세기에 대한 특성 분석 뿐 아니라 파장 다중 통신 기반의 광 교차 접속에 이르는 다양한 적용 범위를 가지고 있다.

파장 다중 통신의 경우 다수의 파장이 다중화 되어 전송하며, 각 파장 별로 그 신호의 세기가 특정 수준 내에서 균일한 크기를 가져야 하나 신호 전달 과정 중 파장 별로 증폭되거나 감소되어 통신 품질의 열화를 가져오므로 가변형 광 감쇄기를 이용하여 각 파장의 신호의 세기를 균일화 시켜줌으로써 통신 품질을 향상시키게 되는 것이다.

기존의 가변형 광 감쇄기는 최초 기계식을 필두로 하여 여러 가지 형태로 발전되어 왔으며, 최근 일렬로 정렬된 두 광섬유 사이에 작은 셔터를 이용하여 감쇄량으로 조정하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)방식이 제안되어 왔다. 이러한 가변형 광 감쇄기는 높은 감쇄량을 얻을 수 있으나, 자체의 삽입 손실이 크고, 광섬유 정렬상의 여러 가지 난점을 가지고 있다.

한편 폴리머를 이용한 평면도파로 가변형 광 감쇄기는 저가이며, 소모 전력이 낮은 장점을 가지고 있으나, 광섬유 연결시 큰 손실을 갖으며, 편광 의존 손실이 크다는 문제점을 가지고 있다.

광섬유를 절단하지 않고 제작이 가능한 전 광섬유 가변 감쇄기의 제조 방법 중 측면 연마형 가변형 광 감쇄기가 있으나 이러한 종류의 가변형 광 감쇄기는 편광 특성이 좋지 않은 단점이 있고, 가변 속도가 기존의 광 감쇄기를 따라가지 못하는 단점을 가지고 있다. 또한 광섬유의 측면을 연마하는 방식 자체가 상당히 비싼 공정이므로 이러한 공정을 적용한 제품은 가격이 높아질 수밖에 없다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 광섬유를 절단하지 않고 제작할 수 있으므로 광섬유의 정렬을 위한 까다롭고 값비싼 공정을 수행하지 않아 저가로 제공될 수 있는 가변형 광 감쇄기를 제공함을 목적으로 한다.

또한, 압전 액츄에이터의 구동에 의하여 폴리머에 인가된 압력 변화에 의하여 감쇄량이 변함으로서 압전 액츄에이터의 빠른 구동 특성으로 인하여 수msec이하의 빠른 응답성을 갖으며, 편광 의존 손실이 매우 작은 가변형 광감쇄기를 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 중단 일부를 에칭하여 에칭부가 형성된 단일모드 광섬유와 ; 상기 광섬유의 에칭부에 코팅된 광학용 폴리머와 ; 상기 폴리머에 압력을 가하는 가압 수단과 ; 상기 온도유지를 위한 항온 수단을 포함하는 가변형 광 감쇄기에 의해 이루어진다.

또한, 본 발명의 목적은 상기 단일 모드 광섬유의 에칭부의 길이를 1mm ~20mm로 하여 에칭 후 남은 클래드의 두께를 0.5um ~ 20um하며, 상기 가압 수단은 압전 액츄에이터 또는 솔래노이드를 포함한 자기 구동 소자로 구성함에 의해 이루어지며, 상기 항온 수단은 TEC 쿨러로 구성함에 의해 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가변형 광감쇄기의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광 감쇄기의 구성을 광섬유의 길이방향으로 절단한 상태에서 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 광 감쇄기의 일예를 광섬유의 길이방향으로 절단한 상태에서 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 광 감쇄기의 인가전압에 따른 감쇄율을 도시한 도표이고, 도 4는 본 발명에 따른 광 감쇄기의 또 다른 일예를 광섬유와 수직방향으로 절단한 상태에서 도시한 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 가변형 광감쇄기는 클래드(101)와 코아(102)로 이루어진 광섬유의 중단 일부의 클래드(101)를 에칭하여 에칭부(103)를 형성하고 상기 에칭부(103)에 압력에 의해 굴절률이 변하는 폴리머(104)를 코팅하였으며, 상기 폴리머(104)에 압력을 가하기 위한 가압 수단으로 압전 액츄에이터(106)를 설치하여 구성된다.

또한, 광감쇄기의 작동시 발생되는 열을 냉각시켜 온도를 유지하기 위한 항온수단으로 TEC쿨러(thermal electric cooler)(105)를 구비하고 있다.

상기 압전 액츄에이터(106)와 에칭부(103)가 형성된 광섬유(100) 등이 온도에 따라 굴절률이 변하는 폴리머(104)와 압전 액츄에이터(106)에 고정하기 위해 고 강도 에폭시(107)가 접착수단으로 사용되고 있다.

또한 TEC 쿨러(105)의 온도를 일정하게 하기 위하여 온도센서를 더 설치하여 구성할 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가변형 광감쇄기는 광섬유를 절단하지 않고 클래드(101) 부분의 일부를 에칭하여 구성함으로서 절단된 광섬유로 감쇄기를 구성할 때 발생되는 자체적인 삽입 손실은 제거할 수 있다.

종래의 일반적인 폴리머를 이용한 가변형 광 감쇄기의 경우 폴리머의 열 광학 특성을 이용하여 온도의 변화에 의한 폴리머의 굴절률 변화를 이용하여 감쇄량을 조정하고 있으며, 여기서 열 광학 폴리머 소자의 경우 온도가 증가하면 폴리머의 밀도가 감소하고 이에 따라 굴절률이 감소하는 특성을 이용하여 가변형 광 감쇄기를 구현한다.

일반적으로 광학용으로 사용되어지는 열 광학 폴리머의 온도 변화에 따른 굴절률의 변화는 -1 Ｘ 10^-4/℃내지 -4 Ｘ 10^-4/℃의 특성을 보이고 있으며, 몇 가지 폴리머를 적당히 혼합하면 상온에서의 굴절률이 클래드의 굴절보다 높게 만들 수 있는데 이러한 폴리머를 측면을 연마한 광섬유 혹은 에칭을 실시한 광섬유에 코팅하여 가변형 광 감쇄기를 제작한다.

상온에서 광 신호가 이러한 영역을 통과할 때 에칭된 클래드 외부의 코팅된 폴리머(104)의 굴절률이 클래드 혹은 코어의 굴절률 보다 높기 때문에 광신호의 일부분이 폴리머(104) 부분으로 빠져 나오기 때문에 손실이 발생한다.

온도가 올라갈 경우 클래드 외부에 코팅된 폴리머(104)의 굴절률이 감소하게 되고 궁극적으로 클래드의 굴절률과 같아지게 되며, 이러한 경우 광섬유를 통과하는 광 신호는 전반사 효과에 의하여 온전히 광섬유의 코아 내에서만 전송되기 때문에 손실 없이 에칭된 부분을 통과하게 된다.

따라서 손실이 없는 신호 전달이 이룰수 있으며, 이러한 원리를 이용하여 본 발명에 따른 열 광학 가변형 광감쇄기가 제공되는 것이다.

본 발명의 경우 이러한 현상을 역으로 이용하였다.

즉, 열 광학 소자와 반대로 폴리머에 압력을 가하면 폴리머(104)의 밀도가 증가하고, 이에 따라서 폴리머(104)의 굴절률이 증가하는 현상이 발생한다. 이를 적절히 이용함으로써 가변형 광 감쇄기를 구현할 수 있다.

일반적인 전유리 광섬유의 코아의 굴절률은 약 1.48이고 클래드의 굴절률은 1.46으로 광섬유를 통과하는 신호는 대부분 코아(102)와 클래드(101)의 경계면에서 전반사가 발생함으로 손실없이 광섬유 내를 통과한다.

광 섬유 축을 횡단하는 평면상의 광 세기의 변화를 횡측 모드 패턴이라 하는데 이러한 횡측 모드 패턴을 관찰하면 코아 내에서는 광 신호의 세기가 정현적인 모양을 하고 있으나, 클래드 부분에서는 지수적으로 감소하는 현상을 가진다.

즉, 모든 광 신호가 코아(102) 내에 존재하는 것이 아니라 클래드(101) 부분에도 일부 존재하게 되며, 일반적인 광섬유의 경우 클래드(101) 부분의 굴절률이 코아(102)의 굴절률 보다 작기 때문에 클래드(101) 부분의 광 신호는 소멸되지 않고 코아(102)와 클래드(101) 경계부분으로 다시 코아(102)의 중심으로 반사 작용을 일으키며 광섬유 내를 전파하는 것이다.

클래드(101) 부분의 두께를 어떤 수단을 이용하여 얇게 형성시키고, 그 외부에 클래드(101)의 굴절률 보다 굴절률이 큰 물질을 코팅하게 되면 클래드(101) 부분에 입사되는 광 신호는 굴절률이 큰 코팅 물질 쪽으로 전달되고 다시는 코아(102) 쪽으로 돌아오지 못하여 광신호의 감쇄가 발생한다.

위에서 언급한 몇 가지 폴리머를 적당히 혼합하면 상온에서의 굴절률이 클래드의 굴절률과 동일하거나 약간 작은 폴리머를 합성할 수 있으며, 이러한 폴리머를 에칭된 광섬유에 코팅하였을 경우 상온에서 코팅된 광섬유는 일반적인 광섬유와 같은 굴절률 분포를 갖는다. 따라서 이러한 광섬유를 통과하는 광신호는 손실 없이 코팅된 부분을 통과한다. 이때 폴리머에 압력을 가하여 폴리머의 밀도를 증가시키면 폴리머의 굴절률이 높아지고, 광신호의 누설이 진행된다. 압력이 더욱 증가하면 누설량은 더욱 확대되어 감쇄량은 더욱 커지게 되는데 폴리머에 인가되는 압력을 적당히 조절함으로써 가변형 광 감쇄기를 구현할 수 있다.

본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 가변형 광 감쇄기를 제작하였다. PVDF(Polyvinylidene fluoride), PMMA(Poly methy methacrylate) 혹은 Noland 사, 3M사 등에서 제공하는 폴리머 등을 혼합하여 상온에서 클래드의 굴절률과 비슷하거나 클래드의 굴절률보다 약간 작은 폴리머(104)를 합성하였다.

이러한 폴리머(104)를 클래드 부분을 1um내지 30um 정도만 남기고 에칭하여 에칭부(103)를 형성한 단일모드 광섬유에 코팅하였다.

압전 액츄에이터(106)를 이용하여 폴리머(104) 부분에 압력을 가함으로 폴리머(104)의 굴절률을 증가시키는 수단으로 사용하였으며, 광 신호의 감쇄를 유발시켰다. 압전 액츄에이터(106)에 인가된 전압을 조정함으로써 사용자가 원하는 수준으로 광신호를 감쇄시킬 수 있었다.

다음은 본 발명에 의하여 구현한 몇 가지 실시 예를 나타내었다.

실시예 1

TEC쿨러(105) 위에 에폭시(105a)를 얇게 코팅하고 경화(curing)하였다.

단일모드 광섬유 중간의 재킷을 10mm만큼 제거하고 양쪽에는 재킷(108) 남게 한다.

재킷(108)의 일부가 제거된 광섬유를 에폭시(105a)가 코팅된 TEC쿨러(105) 위에 올려놓은 후 에폭시(107)를 이용하여 양쪽 끝을 접착한다.

이때 양쪽 에폭시(107) 사이에 광섬유가 1~5mm 드러나도록 하여 에폭시를 경화시킨다.

광섬유의 한 끝을 레이져 다이오드에 연결하여 광 신호를 인가하고 광섬유의 또 다른 끝을 광 파워 메타에 연결하여 광량을 측정한다.

불산 5%내지 15%를 증류수에 희석하여 노출된 광섬유 부분에 공급하여 에칭을 실시하여 에칭부(103)를 형성하였다.

에칭을 실시하면서 광 파워메타에 나타난 광 신호의 감쇄됨을 알수 있다. 광 파워 메타의 광 신호가 10dB내지 20dB로 감쇄되었을 때 에칭 솔루션에 증류수를 투입하여 불산 수용액을 희석시키고, 세척을 실시한다.

이때 에칭 후 남은 클래드(101)의 두께는 삽입 손실에 따라 다르나 약 1um에서 20um의 분포를 보였다.

PMMA와 PVDF 등을 혼합한 폴리머(104)를 에칭부(103)에 도포하고 경화(curing)한다.

이때 PVDF의 함량은 20%내지 50%로 변화시키며 제작하였다.

밴딩(bending)형 압전 액츄에이터(106)를 광학 폴리머(104)가 경화(curing)된 위에 올려놓고 양 끝단에 에폭시(107)를 도포하고 경화한다. 이때 고정용 에폭시(107)가 광섬유의 재킷 부분을 함께 도포하도록 하여 작업 시 파손을 막을 수 있게 하였다.

도 3은 제작된 가변형 광 감쇄기의 인가전압에 따른 감쇄율을 나타낸 것이다. 3dB 변화 시간은 약 1msec로 관측되었으며, 이때 TEC 쿨러(105)의 셋팅(setting) 온도는 50℃로 고정하였다.

실시예 2

도 4는 실리콘 V-글러브(V-groove)를 이용하여 본 발명의 광감쇄기를 구성한 일예를 도시한 단면도이다.

실리콘 V-글러브(V-groove)(201)를 제작하여 상기 실시예1에서와 같이 재킷 부분이 탈피된 광섬유를 V-글러브(201)에 올려놓고 양단에 에폭시를 이용하여 고정하였다. 이때 에폭시가 도포되지 않는 영역을 3-5mm로 하였다.

불산 수용액을 이용하여 에폭시가 도포되지 않은 부분에 에칭하여 에칭부를 형성하되, 상기 실시예 1과 같이 레이져 다이오드와 광 파워 메타를 이용하여 광 감쇄량을 측정해가며 에칭을 실시한다.

에칭부가 형성되고 세척 및 건조가 완료된 후 실시예 1과 같은 광학 폴리머(104)를 에칭부에 도포하고 또 하나의 V-groove(202) 덮고 광학 폴리머(104)의 경화시킨다.

위에서 제작된 반제품을 TEC쿨러(105)에 에폭시(105a)를 이용하여 접착하고, 상부에는 압전 액츄에이터(106)를 부착하여 전압 인가시 V-글러브(202)를 통하여 폴리머(104)에 압력을 가해지도록 한다.

TEC쿨러(105)에 서미스터(203)를 장착하고 서미스터 보호를 위하여 에폭시(105b)를 코팅한다.

상기 실시예 2에 의해 제작된 가변형 광 감쇄기의 삽입손실은 0.06dB, 파장 의존 손실은 1520nm내지 1570nm 영역에서 0.1dB, 15dB 감쇄시 편광의존 손실은 0.1dB로 관측되었으며, 3dB 변화에 필요한 응답시간은 약 1msec로 관측되었다

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 가변형 광 감쇄기는 광섬유를 절단하지 않고 감쇄기를 제작하기 때문에 광섬유 정렬에 대한 난점을 극복할 수 있으며 삽입 손실을 없앨 수 있으며, 광섬유의 정렬 등의 까다롭고 값비싼 공정을 제거할 수 있기 때문에 저가의 가변형 광 감쇄기를 제공할 수 있다.

또한 제조 공정에서 광섬유의 습식 에칭을 통하여 광섬유 클래딩을 에칭하여 동작 부위를 형성하기 때문에 기하학적으로 대칭인 구조를 가짐으로 편광 의존 손실이 매우 작은 가변형 광 감쇄기를 제공할 수 있다.

더욱이, 압전 액츄에이터의 구동에 의하여 폴리머에 압력 변화를 인가하고 인가된 압력 변화에 의하여 감쇄량이 변함으로서 압전 액츄에이터의 빠른 구동 특성으로 인하여 수msec이하의 빠른 응답성을 갖는 전 광섬유 가변형 광 감쇄기를 제 공할 수 있다.

Claims (6)

1. 기판 상에 소정의 구성 소자를 배치하여 구성된 광감쇄기에 있어서,

   중단 일부를 에칭하여 에칭부가 형성된 단일모드 광섬유와 ;

   상기 광섬유의 에칭부에 코팅된 광학용 폴리머와 ;

   상기 폴리머에 압력을 가하는 가압 수단과 ;

   상기 온도유지를 위한 항온 수단을 포함하되,

   상기 단일 모드 광섬유의 에칭부의 길이는 1mm ~20mm 이내이며, 에칭 후 남은 클래드의 두께가 0.5um ~ 20um이고,

   상기 폴리머에 압력을 가하는 가압 수단은 압전 액츄에이터 또는 솔래노이드를 포함한 자기 구동 소자 중 선택되는 어느 하나이며,

   상기 온도를 일정하게 유지시키는 항온 수단은 온도센서와 TEC 쿨러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변형 광 감쇄기.
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