KR100720846B1

KR100720846B1 - 자유공간 광 결합을 이용한 렌즈형 광자 결정 광섬유 및 그방법

Info

Publication number: KR100720846B1
Application number: KR1020050133811A
Authority: KR
Inventors: 공경준; 김진채; 이병하
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-05-23

Abstract

본 발명은 렌즈형 광자 결정 광섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 광소자와 광섬유 간의 광 결합이나 광섬유 사이에 광소자를 위치시킨 후 서로 떨어진 위치에 있는 두 광섬유 간의 광 결합을 용이하게 하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 기존 광 부품과 광섬유간에 광 결합 시 결합 효율이 낮은 문제, 광 결합 효율은 좋지만 광 디바이스간 광 결합 길이가 짧은 문제, 혹은 결합 효율을 높이기 위해서 제안된 방법들의 구조의 복잡성 　및 제작과정의 어려움 등의 문제들을 해결하여 간단한 제작과정을 통해 효과적인 광 결합과 긴 광 결합 길이를 가능케 하기 위하여 개발된 것으로 광자 결정 광섬유를 단일 모드 광섬유 끝 단에 접합하고 아크 방전을 통하여 렌즈와 광선 확장 구간을 동시에 형성함으로써 　긴 작동거리(광섬유와 광 부품간)와 좋은 결합 효율을 가지게 하며 　간단한 과정만으로 제작이 가능한 렌즈형 광자 결정 광섬유 가공 방법과 그 실행 예인 렌즈형 광자 결정 광섬유에 관한 것이다.

광선 확장 구간, 렌즈 구간, 단일 모드 광섬유

Description

자유공간 광 결합을 이용한 렌즈형 광자 결정 광섬유 및 그 방법{Lensed Photonic Crystatl Fiber using Optical Free-Space Interconnection and method thereof}

도 1는 반구형 과 쐐기형 렌즈형 광섬유

도 2은 본 발명의 일 실시 예에 따른 렌즈형 광자 결정 광섬유

도 2(a) 단일 모드 광섬유 구간, 광자 결정 광섬유 구간, 광선 확장 구간, 렌즈구간으로　구성된 렌즈형 광자결정 광섬유

도 2(b) 광자 결정 광섬유 구간, 광선 확장 구간, 렌즈구간으로 구성된 렌즈형 광자결정　광섬유

도 2(c) - 도 2(a) 형태로 제작된 렌즈형 광자결정 광섬유 한 쌍

도 2(d) - 도 2(b) 형태로 제작된 렌즈형 광자결정 광섬유 한 쌍

도 3 - 도 2(c), 도 2(b), 2 (c) 렌즈형 광자결정 광섬유를 만들기 위한 제작 과정 예

도 3(a) 단일 모드 광섬유 구간에 광자 결정 광섬유 구간 이 접합된 광섬유

도 3(b) 광자 결정 광섬유

도 3(c) - 도 3(a) 한 쌍이 광섬유 융착기에 장착된 형태 예

도 3(d) - 도 3(b) 한 쌍이 광섬유 융착기에 장착된 형태 예

도 4 이종 결합 렌즈형 광섬유

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예를 나타낸 쐐기형, 타원형, 반구형 렌즈형 광자 결정 광섬유

도 6는 광자결정 광섬유 코어 크기를 달리함으로써 긴 혹은 짧은 작동거리를 가지는 렌즈형 광자 결정 광섬유

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21 : 단일 모드 광섬유 구간 22 : 광자 결정 광섬유 클래드 부분

23 : 광자 결정 광섬유 코어 부분

24 : 아크 봉

25 : 광선확장 구간 26 : 렌즈 구간

40 : 단일 모드 광섬유 구간 41: 광선 확장 구간

42 : 렌즈구간

50 : 쐐기형 렌즈 구간 51 : 타원형 렌즈 구간

52 : 반구형 렌즈 구간

61 : 광자결정 광섬유의 코어 크기

62 : 렌즈형 광자 결정 광섬유의 광선 확장 구간

63 : 작동 거리

자유공간을 통한 광 결합은 광통신분야에서 빼놓을 수 없는 부분으로 광 결합 손실이 적으면서도 결합기의 패키징을 용이하게 하는 넓은 범위의 정렬구간을 가능케 하는 방법과 광섬유와 광소자 간의 이격거리를 길게 하는 여러 가지 방법들이 제안되어 오고 있다

종래에는 단일모드 광섬유의 코어 자체에 변형을 주어 렌즈 형태를 형성한 렌즈형 광섬유를 사용하는 방법, 광소자 간에 하나의 벌크 렌즈 또는 렌즈군을 두는 방법, 원통형의 그린렌즈 (GRIN lens) 또는 실리카 (Silica) 광섬유 등과 같은 이종 광섬유를 단일모드 광섬유에 접합하여 이용하는 이종결합 렌즈형 파이버를 사용하는 방법들이 대표적으로 사용되고 있다.

렌즈형 광섬유의 경우 도 1 와 같은 구조를 가지고 있는데 단일 모드 광섬유 끝을 연마나 레이저 가공 또는 화학적 녹임(etching)을 통하여 쐐기형이나 반구형으로 만들어 광 결합을 유도한다. 하지만 이 렌즈형 광섬유는 단일모드 광섬유의 코어 직경에 해당하는 약 6~9 um 정도의 영역에서만 렌즈 효과를 나타내기 때문에 작동거리 (광섬유와 광소자 간 또는 광섬유와 광섬유간의 거리)가 160um 이하로 매우 짧다는 한계를 가지고 있다. 또한 연마나 화학적 녹임 등을 이용한 렌즈 제조과정은 복잡하고 더디다는 단점을 가지고 있다.

벌크 렌즈나 렌즈군을 이용하는 광 결합 방법은 광섬유에 형성한 렌즈를 이용하는 방법에 비해 상대적으로 큰 렌즈를 사용할 수 있어 우수한 광 결합 특성을 가진다. 그러나 작은 광섬유 혹은 광소자 사이에 상대적으로 큰 벌크 렌즈를 위치시켜야 하므로 제작과정이 어렵고 구현된 광 결합기의　 크기가 커지는 단점을 가지고 있다.

다음으로 이종 결합 렌즈형 광섬유를 사용하는 방법은 도 4에서 보는 바와 같이 광선이 확장할 수 있는 구간을 그린렌즈나 실리카 광섬유 등을 광섬유 융착기를 이용하여 기존의 단일모드 광섬유에 접합하고 원하는 광선 확장 구간만을 남기고 광섬유 절단기로 절단 한 후 그 절단면에 자외선에 의해 경화가 되는 폴리머를 떨어트린 후 자외선을 폴리머에 조사시킴으로 렌즈를 형성함으로써 제작되는 방법으로 광섬유 단면 전체에서 렌즈효과가 발생하므로 보다 긴 작동거리를 가능하게 한다. 하지만 원하는 길이의 작동 거리를　 얻기 위해서는 정확한 길이의 그린렌즈나 실리카 광섬유를 단일모드 광섬유에 접합하는 과정이 필요하며 광섬유 끝 단면에 정확한 곡률을 갖는 렌즈를 만들어 주어야 하는 등 정교한 제작공정을 필요로 한다. 또한 부분을 이루는 이종 결합 물질 간 접합에 의한 큰 반사 손실의 단점을 가지고 있다

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 광섬유와 광소자 간, 두 개의 광섬유 간, 광섬유 광소자 광섬유 간에 자유공간을 통한 광결합을 통해 높은 광결합 효율, 작은 모듈 크기, 간단한 제작과정, 작동거리, 유 연한 작동거리 조정 등을 하는 방법 및 상기 방법으로 제조되는 광섬유를 제공하는 데 있다.

상기 본원 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서,

본 발명의 아크방전 또는 CO2 레이저 등 고열을 이용하여 광자 결정 광섬유의 일정 구간에 공기구멍을 제거해 줌으로써 광선 확장구간을 형성해 주고 동 광섬유에 렌즈를 형성하여 자유공간을 통한 광결합을 이루는 가공방법과 동 방법으로 제조된 광결합기로 이루어 지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본원 발명의 실시예에 대한 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2(a)는 본원 발명의 렌즈형 광자 결정 광섬유이다.

본원 발명의 렌즈형 광자 결정 광섬유는 도 2(a)에 도시된 바와 같이 단일 모드 광섬유 구간(21), 광자 결정 광섬유 구간(22,23), 광선 확장 구간(25), 그리고 렌즈구간(26)으로 구성되거나 도 2(b) 에 도시된 바와 같이 광자 결정 광섬유 구간, 광선 확장구간, 그리고 렌즈구간만으로 구성 되어 진다.

상기 광자결정광섬유(Photonic Crystal Fiber)는 다공성 광섬유(Holey Fiber) 또는 미세구조 광섬유(Microstructured fiber)로도 지칭이 되는데 광섬유를 따라 다수(2 ~ 1000개)의 공기구멍이 규칙 또는 비 규칙적으로 배열되어 있고 광섬유의 중심에 구멍이 없거나, 중심과 그 주변에 다른 크기의 구멍을 가지고 있거나,　 구멍에 주변과 다른 구성 물질로 이루어진 광섬유를 포함한다.

상기 광선 확장구간(25)은 광자결정광섬유의 공기구멍이 면적대비 10% 이상 균일하게 또는 비균일하게 감소된 구간을 말하며 감소 구간의 총 길이가 10 um에서 10mm까지를 포함한다.

상기 렌즈 구간은 광선 확장구간에 해당하는 광섬유의 끝단에 곡면 구조로 형성하여 준 것을 말하며 아크방전, CO2 레이저, 연마, 화학적 녹임(Etching), 폴리머 투여 등의 공정을 통하여 만들어 지고 곡면의 구조는 원형, 타원형, 포물선형, 쐐기형 등을 포함한다.

도 2(a)의 렌즈형 광자결정 광섬유는 광선확장 구간과 렌즈구간을 만들어 주기 이전에 단일 모드 광섬유에 광자 결정 광섬유를 단일 모드 광섬유 간 혹은 이종 광섬유 간을 고온의 아크열을 이용하여 접합시켜주는 광섬유 융착기(fusion splicer)(24)를 이용하여 접합하는 과정이 필요하지만 도 2(d)의 렌즈형 광자결정 광섬유는 전 구간을 광자결정광섬유를 사용하므로 단일모드 광섬유와의 접합 공정이 필요 없다.

도 2(a) 혹은 도 2(b)의 렌즈형 광자결정 광섬유는 도 3(c), 도 3(d)와 같이 광섬유 융착기(24)에 장착하고 아크 방전 세기, 아크방전 시간, 방전 위치를 조정하여 아크 방전 함으로써 도 2(a) 혹은 도 2(b)와 같은 실시 예를 제작할 수 있으며 도 2(c) 혹은 도 2(d)의 형태와 같이 한 쌍이 함께 제작될 수도 있다.

아크방전 세기와 아크방전 시간의 변화는 렌즈의 곡률을 변화시키는데 기여하고, 아크방전 위치의 변화는 광선 확장 구간(25)의 길이의 변화에 기여한다.

　　　본 발명에서 제안하는 광선 확장 구간(25)은 아크 방전으로 발생한 열이 광자 결정 광섬유의 공기구멍을 막는 현상을 이용하여 구현되는 것으로서 광자 결정 광섬유 구간(22, 23), 광선 확장 구간(25) 그리고 렌즈구간(26)이 모두 같은 물질로 이루어 짐으로　 광자 결정 광섬유 구간(22, 23) 과 광선 확장 구간(25) 간 경계 그리고　 광선 확장 구간(25) 과 렌즈구간(26)의 경계에서의 반사에 의한 손실을 최소화 할 수 있다.

또한 도 2의 광선 확장 구간(25)의 길이와　 렌즈구간(26)의 곡률은 아크방전 세기, 아크방전 시간, 아크봉(24)과의 위치를 조정함으로써 변화시킬 수 있으며 결과적으로 렌즈형 광자 결정 광섬유의 작동거리(63)의 조절을 가능케 한다. 즉, 긴 혹은 짧은 작동거리를 가지도록 렌즈형 광자결정 광섬유를 만드는 것이 쉽다. 이는 도 4에서 명시된 이종 결합 렌즈형 광섬유 경우 다른 작동거리를 위해 다른 크기의 광선 확장구간(41)으로 실리카 라드 혹은 그린(GRIN)렌즈등을 접합 후 다시 절단하고 폴리머를 통해 렌즈 구간(42)를 만드는 경우와 비교할 때 획기적인 제작 공정의 단순화를 기대 할 수 있다.　

또한 광섬유 융착기에 도 2(c) 혹은 도 2(d)와 같이 아크방전을 통해 같은 작동 거리의 렌즈형 광자 결정 광섬유를 동시에 만들 수 있는 장점도 가지고 있다.

도 4는 단일 모드 광섬유 구간(40), 광선 확장 구간(41), 렌즈구간(42)로 구성된 이종 결합 렌즈형 광섬유를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예로 광자 결정 광섬유에 아크 방전 조건(아크방전 세기,아크방전 시간, 방전 위치)을 조정하여 광선 확장 구간 및 렌즈를 형성한 후 연마나 레이저 가공을 통하여 쐐기형이나 포물선형, 반구형 등의 모양을 가 지는 렌즈를 만들 수 있음을 보인 것이다. 이를 이용하면 반도체 레이저나 레이저 다이오드 (Light emitting diode) 등과 같이 타원형의 광선을 가지는 광원과 광섬유 간의 효율적인 광 결합을 얻을 수 있다.　

도 6은 코어의 크기가 다른 두 렌즈형 광자결정 광섬유를 도시한 그림으로 같은 길이의 광선확장구간(62)과 같은 곡률의 렌즈구간으로 구성되어있지만 광자결정 광섬유의 코어 크기(61)의 다르게 가짐으로써 짧은 작동거리(63)를 가지거나 혹은 긴 작동거리를 가지는 렌즈형 광자결정 광섬유를 도시한 그림이다.

상기 렌즈형 광자결정 광섬유는 마이크로 미터 스케일의 미세한 조직을 구별할 수 있어 안구 혹은 치아 조직 분석에 최근 이용되고 있는 고해상도 이미지 획득 시스템의 일종인 OCT(Optical Coherence Tomograghy) 시스템 또는 광섬유 기반의 광측정 시스템 등에서 샘플단에서 정보를 수집하는데 이용되는 광탐침기로서도 이용된다.

본 발명을 통해 제안된 렌즈형 광자 결정 광섬유를 이용한 자유공간 광결합기는 광 결합 효율이 높으며, 이종 결합 렌즈형 광섬유의 단점으로 지적되어온 제작과정의 복잡성이 없는 반면 이종 결합 렌즈형 광섬유의 장점인 긴 작동 거리와 작은 모듈 크기를 준다. 특히 최근 활발히 연구가 진행되고 있는 MEMS(Micro Electric Mechanical System) 기반 광소자와 광섬유 간의 광결합을 가우시안 형태의 빔을 통하여 가능하게 한다는 장점을 가지고 있다.

Claims

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광자결정 광섬유 구간;

광자결정광섬유의 공기구멍이 면적대비 10% 이상 균일하게 또는 비균일하게 감소된 광선 확장구간; 및

상기 광선 확장구간에 해당하는 광섬유의 끝단에 광선을 모으기 위해 아크방전, CO2 레이저, 연마, 화학적 녹임(Etching) 공정을 통하여 형성된 렌즈구간을 포함하며,

상기 광선 확장 구간 및 렌즈 구간이 광결합에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 자유공간 광 결합을 이용한 렌즈형 광자 결정 광섬유.
청구항 4에 있어서,

상기 광자결정광섬유(Photonic Crystal Fiber)는 광섬유를 따라 다수(2 ~ 1000개)의 공기구멍이 규칙 또는 비 규칙적으로 배열되어 있고 광섬유의 중심에 구멍이 없거나, 중심과 그 주변에 다른 크기의 구멍을 가지고 있거나,　구멍에 주변과 다른 구성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자유공간 광 결합을 이용한 렌즈형 광자 결정 광섬유.
삭제
청구항 4에 있어서,

상기 렌즈 구간의 곡면 구조는 원형, 타원형, 포물선형, 쐐기형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광결합에 의해 제조되는 자유공간 광 결합을 이용한 렌즈형 광자 결정 광섬유.
청구항 4에 있어서,

상기 광자결정 광섬유 구간의 광섬유 코어 크기를 변화시킴에 따라 다른 작동거리를 가지는 렌즈형 광자결정 광섬유
청구항 4에 있어서,

상기 렌즈형 광자결정광섬유는 OCT(Optical Coherence Tomograghy) 또는 광섬유 기반의 광측정 시스템에서 이용되는 것을 특징으로 하는 자유공간 광 결합을 이용한 렌즈형 광자 결정 광섬유.