KR100745246B1 - 테이퍼형 광섬유 컴포넌트의 온도 안정화 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 커플러 또는 광섬유 필터와 같은 온도 안정화된 테이퍼형 광섬유 컴포넌트를 제조하는 것에 관한 것이다. 커플러와 같은 컴포넌트의 경우, 적어도 두 개의 광섬유가 적정 기계적 특성 및 파장 특성을 가진 원하는 테이퍼 프로파일을 달성하기 위해 용융 및 테이퍼링된다. 광섬유 필터의 경우, 광섬유만이 테이퍼링된다. 일단 컴포넌트가 제조되면, 온도 변화로 인한 컴포넌트의 임의의 형태상의 위상 시프트를 보상하기 위한 기계적 변형력을 제공하는 강체 기판에 단단히 고정된다. 또한, 컴포넌트의 기계적 위상 의존도는 원하는 온도 보상 효과를 제공하기 위해 기판에 대해 조정된다. 바람직하게는, 최상의 온도 안정화를 위해 이러한 특성들이 모두 사용된다.

Description

테이퍼형 광섬유 컴포넌트의 온도 안정화 {TEMPERATURE STABILIZATION OF TAPERED FIBER OPTIC COMPONENTS}
본 발명은 온도 보상 효과를 제공하며 컴포넌트의 광학 특성의 온도 비의존성(athermal)을 유도하는 패키징 설계의 일부를 형성하는 강체 기판상에 장착되는, 용융 및 테이퍼형 광섬유 커플러와 같이 테이퍼형 광섬유 컴포넌트에 관한 것이다. 본 발명은 또한 강체 기판에 컴포넌트를 고정하고 원하는 온도 비의존성을 달성하기 위해 이를 조정 및 제어하는 방법에 관한 것이다.
패키징에서 사용되는 기판의 열 팽창이 커플러의 열 팽창과 매칭되도록 하는 패키징에서 광섬유 커플러와 같은 광섬유 컴포넌트를 제공하는 것은 공지되어 있다. 예를 들면, 미국 특허번호 5,243,680호에서는 커플러의 열 팽창률과 같은 열 팽창률을 가진 보강재를 패키지에 제공한다.
미국 특허번호 5,367,589호는 광섬유 재료의 열 팽창계수와 거의 동일한 열 팽창계수를 가진 재료로 구성된 슬리브를 가진 광섬유 패키지를 제공한다. 상기 특허에서, 만일 패키지 및 광섬유를 위해 선택된 재료들이 동일한 열 팽창계수를 가진다면, 재료는 온도 변화에 응답하여 동일한 정도로 수축 또는 팽창할 것이다. 따라서, 만일 패키지와 광섬유가 온도 변화에 대해 동일한 응답을 나타낸다면 광섬유는 변형되지 않을 것이지만, 그렇지 않을 경우 광섬유는 온도 변화에 응답하여 다른 정도로 팽창 또는 수축할 수도 있다.
또한, 미국 특허번호 5,430,821호에서는 용융된 광섬유 커플러에 보호 케이스를 제공하여, 광섬유 커플러의 용융된 영역의 열 팽창계수가 용융된 광섬유 커플러의 보호 케이스의 열 팽창 계수와 동일해져, 온도 변화에 따른 변형력 발생을 감소시킨다.
격자 엘리먼트에 의해 반사된 파장에서의 온도-유도 변화를 보상하는 변형을 삽입형 격자들을 포함하는 광섬유에 유도함으로써 브래그 필터(Bragg filter)를 안정화하기 위한 광섬유 격자 패키지를 제공하는 방법 역시 공지되어 있다. 이와 같은 장치중 하나가 미국 특허번호 5,841,920호에 개시되어 있고, 여기에는 인장력 조정 부재와 보상 부재가 제공되고, 이들은 장치의 온도가 감소함에 따라 인장력 조정 부재가 보상 부재보다 더 수축하여 격자에 축 방향 변형력이 가해지도록 선택된 재료로 각각 구성된다.
보상이 광섬유에 의존하고 온도 증가에 따라 기판 연장보다는 압축을 필요로 하는 브래그와는 명확히 다르다는 문제점에도 불구하고, 브래그 격자에 대해 사용된 것과 같은 온도 의존성 광학 효과를 보상하는 기본 원리가 용융된 테이퍼형 광섬유 커플러 또는 테이퍼형 광섬유 필터와 같은 테이퍼형 광학 장치에 응용될 수 있다. 따라서, 자신들의 테이퍼(taper) 프로파일에 대부분 의존하는 테이퍼형 장치의 보상은 또 다른 문제점을 나타내고, 본 발명은 이를 해결하는 것을 목적으로 한다.
공지된 바와 같이, 용융된 테이퍼형 광섬유 커플러는 둘 이상의 단일 모드 광섬유를 용융함으로써 형성되고, 광섬유 필터는 원하는 필터링 효과가 얻어질 때까지 단일 모드 광섬유를 가열 및 테이퍼링(tapering)함으로써 형성된다. 테이퍼링은 광섬유 코어가 광의 안내를 중지하는 작은 단면 영역을 형성함으로써 클래딩 모드를 형성한다. 이러한 클래딩 모드들은 테이퍼형 영역에서 전파하고, 각각의 모드는 자신의 전파 상수를 가지며; 이에 따라 위상차를 누적한다. 모드 사이의 상대적 위상차는 광이 출력 코어에서 보강 간섭을 하는지 아니면 상쇄 간섭하는 지에 따라 결정된다. 테이퍼형 영역의 단부에서의 이러한 간섭은 커플러내의 광섬유들 사이에 위상 의존 파워 전달 또는 단일-광섬유 테이퍼형 필터내 필터링 효과를 형성할 것이다. 커플러와 광섬유의 제반 원리는 본질적으로 간섭과 위상차이고, 간섭은 테이퍼형 영역내 형성된 광 도파관에 의존한다. 위상차는 일반적으로 파장의 함수로서 대략 선형적으로 증가하고, 이에 따라 광섬유 커플러와 필터의 사인파형 응답을 형성한다. 이러한 컴포넌트가 깨지기 쉽기 때문에, 테이퍼형 광섬유는 일반적으로 강체 기판에 본딩되고 보호를 위해 튜브내에 밀폐되거나 또는 패키징된다. 상기 패키지는 시간이 경과함에도 테이퍼형 컴포넌트가 자신의 특성을 유지하게 한다. 비록 테이퍼형 컴포넌트의 스펙트럼 응답이 이상적으로 형성되고 패키징되지만, 이는 본질적으로 온도에 대해 불안정한데, 그 이유는 실리카의 굴절률이 온도에 의존하며 간섭계 위상이 온도의 함수로서 변화되어 컴포넌트의 파장 응답의 이동을 야기하기 때문이다. 굴절률의 변화는 작고, 매우 작은 위상차를 가진 컴포넌트에 대해서는 그리 중요하지 않지만, 급격한 파장 응답을 가진 컴포넌트에서는 매우 중요한데, 그 이유는 이들 모드의 위상차가 크기 때문이다.
본 발명에 따르면, 이러한 테이퍼형 컴포넌트에서 광학적 변화는 테이퍼형 컴포넌트의 길이를 변화시키는 특정 설계된 패키지에서 강체 기판을 사용하는 기계적 효과에 의해 보상될 수 있다. 이러한 길이 변화는 굴절률 변화로 인한 위상 변화와는 반대인 추가적 위상 누적을 야기시킨다. 이러한 방법은 온도 변화를 보상할 뿐만 아니라 온도 변화를 제어한다. 따라서, 온도 변이시 미리 결정된 양 또는 음의 의존도를 따르는 컴포넌트의 구현을 가능하게 하여 준다.
테이퍼형 컴포넌트의 온도 의존도를 제어하기 위해, 본 발명은 테이퍼형 구조의 여러 특정 특성을 사용하며 원하는 효과를 달성하기 위해 이들을 조합한다.
따라서, 세로형의 불변 도파관에서, 두 모드 사이의 위상차는 다음의 식으로 주어지고
Figure 112005019045053-pct00023
여기서 φ는 위상차이고,
Figure 112007003212010-pct00003
는 모드
Figure 112007003212010-pct00004
과
Figure 112007003212010-pct00005
의 전파 상수 사이의 차이를 나타내며, L은 파장의 테이퍼형 부분의 길이이다.
광섬유 커플러 및 광섬유 테이퍼는 광섬유 코어, 광섬유 클래딩 및 주변 광학 매체에 의해 형성된 도파관이며, 주변 광학 매체는 주로 공기이다. 이러한 도파관에서,
Figure 112005019045053-pct00006
는 도파관 단면, 굴절률 및 파장에 의존한다. 주어진 단면에 대해,
Figure 112005019045053-pct00007
는 파장에 따라 증가된다. 주어진 파장에서,
Figure 112005019045053-pct00008
는 단면의 상대 크기에 따라 지수적으로 증가된다. 테이퍼 파장이 작을수록
Figure 112005019045053-pct00009
가 커진다.
테이퍼형 프로파일은 일반적으로 완전히 균일하지는 않은데, 그 이유는 단면이 테이퍼형 영역의 길이를 따라 변하기 때문이다. 따라서, 모드들 사이의 전체 누적된 위상차는 테이퍼 영역의 길이를 따라 모드들의 전파 상수들의 모든 소구간 차이들의 적분이고 이는 다음의 식으로 표현된다:
Figure 112001035135743-pct00010
.
만일 길이 L이 변한다면, 위상도 변할 것이다. 이는 테이퍼형 컴포넌트를 인장시켜(pull) 그 길이가 변화됨으로써 실험적으로 쉽게 증명할 수 있다. 제조 동안 관찰된 주기들은 위상의 변화로 인한 것인데, 그 이유는 컴포넌트가 인장되었기 때문이다. 제조 이후, 테이퍼형 컴포넌트는 가요성을 가지며 스프링과 같이 기계적으로 신장될 수 있다. 파손되기 전에는 위상을 많이 변화시킬 수는 없지만, 위상의 증가에 따라 낮은 파장쪽으로 오실레이션의 이동을 관찰하는 것이 가능하다.
한편, 커플러가 가열된다면, 높은 파장쪽으로의 이동이 관찰되며, 모드의 유효 굴절률의 감소로 인한 위상 감소는 실리카의 열 팽창으로 인한 길이 증가보다 위상에 더 큰 효과를 가진다.
만일 테이퍼형 컴포넌트가 용융된 석영 기판상에 고정된다면, 열적 신장(elongation)은 컴포넌트의 열적 신장과 동일할 것이며, 높은 파장쪽으로의 이동이 관찰될 것이다.
한편, 테이퍼형 컴포넌트가 높은 팽창 계수를 가진 기판에 본딩된다면, 기판이 테이퍼형 컴포넌트보다 훨씬 더 큰 단면을 가지기 때문에 일반적인 길이 변화보다 크게 테이퍼형 컴포넌트에 길이 변화를 부과한다. 신장으로 인한 낮은 파장쪽으로의 큰 위상 이동은 간섭계에 적용된다. 만일 신장으로 인한 이러한 위상 이동이 충분히 크다면, 굴절률로 인한 변화를 보상할 것이다.
따라서, 온도 보상 패키지를 실현하기 위해, 이러한 두 개의 반대적 위상 이동을 매칭시키는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적은 본 발명에 따르면 기판의 정확한 열 팽창을 선택함으로써, 주어진 기판을 매칭시키기 위해 컴포넌트의 기계적 위상 의존도를 변화시킴으로써, 또는 이들 두 특성을 결합시킴으로써 달성된다.
주어진 스펙트럼 응답에 대해, 주어진 세로형의 프로파일을 가진 커플러 또는 필터를 설계할 수 있다. 이러한 장치가 일단 제조되면 0 내지 50℃에서
Figure 112007003212010-pct00011
위상 이동을 측정하는 것과 같이 주어진 온도 위상 변화 특성 및 ls=10㎛의 신장이
Figure 112007003212010-pct00012
위상 이동을 위해 필요한 것과 같이 주어진 기계적 위상 변화 특성을 가질 것이다. 따라서, 테이퍼형 영역이 50℃ 이상에서 10㎛ 신장되도록 하는 기판이 필요하다. 기판으로 인한 신장 1s는 이하의 식으로 주어지고:
Figure 112001035135743-pct00013
여기서, d는 본딩 지점들 사이의 거리이고, K는 기판의 열 팽창 계수이며,
Figure 112005019045053-pct00014
는 온도 범위이다. 테이퍼형 영역은 노출된 도파관이므로, 본딩 지점들은 테이퍼형 영역 외부에 있어야만 하고, 패키지 길이 제한으로 인해 d는 최대값을 가질 것이다.
따라서,
Figure 112001035135743-pct00015
을 얻을 수 있다.
더욱이, K는 석영의 열 팽창 계수보다 크지만, 만일 너무 크다면 컴포넌트를 오버-보상하게 될 것이다.
따라서, 재료 및 길이를 신중히 선택함으로써, 임의의 컴포넌트도 보상할 수 있게 된다. 하지만, 적정 재료의 제한된 유용성 및 파라미터 s에 대한 제한이 주어질 때, 항상 완벽한 매칭 상태를 달성하는 것은 어렵다.
이러한 이유로, 특히 제한된 수의 재료를 사용할 경우, 두 위상 이동을 매칭시키는데 다른 해법들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 두 형태의 팽창 계수 K1과 K2를 가진 재료들이 있다면, 두 재료의 단부끼리 맞닿게 함으로써 Is를 얻을 수 있다. 재료의 제 1 본딩 지점과 접합 지점 사이의 거리 d1 및 접합 지점점과 제 2 본딩 지점 사이의 거리 d2를 가진 상태에서, 신장은 다음과 같다:
Figure 112001035135743-pct00016
그러므로 여러 팽창 계수를 가진 여러 재료를 조합함으로써 동일한 형태의 효과를 얻을 수 있다.
하지만, 이는 항상 실용적인 것은 아닌데, 그 이유는 각각의 모든 테이퍼형 컴포넌트 설계가 여러 기판 또는 기판의 조합을 필요로 하기 때문이다. 이러한 이유로, 다른 기술이 이러한 설계를 얻는데 사용될 수 있고, 이러한 기술은 컴포넌트의 기계적 ls의 테일러링(tailoring)이다. 기판이 주어진 팽창 계수를 가지며 장치의 길이가 외부 조건에 의해 영향을 받는다면, 컴포넌트의 세로형의 프로파일을 변화시킴으로써 컴포넌트의 ls를 변화시킬 수 있다. 이는 테이퍼형 프로파일이 균일하지 않으며, 주어진 변형력에 대해 작은 영역이 큰 영역보다 더 신장될 것이기 때문에 쉽게 이해될 수 있다. 더욱이, 작은 영역에서의 위상차는 큰 영역에서보다 더 크고, 신장의 효과도 더 클 것이다. 따라서, 동일한 전체 위상 응답을 가진 두 개의 커플러에 대해, 작은 웨이스트(waist)를 가진 컴포넌트가 큰 웨이스트를 가진 컴포넌트보다 주어진 전체 신장에 대해 더 큰 위상 이동을 가질 것이다. 그러므로 기계적 ls에 대한 제어는 컴포넌트 프로파일을 더 급격하거나 또는 더 평탄하게 함으로써 달성될 수 있다. 이러한 기술은 ls에 상당한 영향을 끼치고, 제한된 수의 기판 유형들의 프로세스를 표준화할 수 있도록 보조하는데 중요하다. 하지만, 프로파일의 테일러링은 장치의 파장 특성을 제어하는데도 사용되며, 이에 따라 프로파일 설계시 다음의 두 가지가 반드시 고려되어야만 한다: 적절하게 온도를 보상하기 위해 장치에 대한 정확한 파장 응답과 적정 ls를 가져야만 한다.
요약하면, 본 발명은 광섬유의 용융 및/또는 테이퍼링에 의해 형성되며, 기계적 위상차 및 미리 결정된 파장 응답을 가진 테이퍼 프로파일을 형성하는 온도 안정화된 테이퍼형 광섬유 컴포넌트를 포함하며, 상기 컴포넌트는 석영보다 큰 열 팽창 계수를 가지며 컴포넌트 파장 응답에 응답하여 기판 신장을 매칭시킴으로써 온도 변화로 인한 컴포넌트의 임의의 형태상의 위상 이동을 보상할 수 있도록 적응된 기계적 변형력을 제공하는 재료로 구성된 강체 기판에 그 단부가 단단하게 고정되며, 및/또는 컴포넌트의 기계적 위상 의존도가 원하는 온도 보상 효과를 제공하도록 기판에 대해 조정된다. 바람직하게, 보상의 기계적 변형력을 갖는 강체 기판의 사용 및, 컴포넌트의 기계적 위상 의존도의 조정을 사용함으로써 원하는 온도 보상 효과가 달성된다. 기계적 위상 의존도는 컴포넌트의 테이퍼 프로파일을 변화시킴으로써 변화될 수 있고, 이는 반드시 파장 응답에 실질적인 영향을 끼치지 않고 수행되어야 한다.
또한, 본 발명은 테이퍼형 광섬유 컴포넌트의 온도 안정화 방법을 포함하며, 이러한 방법은 이하의 단계를 포함한다:
(a) 기계적 온도 의존도와 미리 결정된 파장 응답에 따르는 테이퍼 프로파일을 가진 테이퍼형 광섬유 컴포넌트를 형성하도록 광섬유를 용융 및/또는 테이퍼링하는 단계;
(b) 상기 컴포넌트의 각각의 단부를 강체 기판에 단단하게 본딩함으로써 상기 기판을 상기 강체 기판에 단단히 고정하는 단계;
(c) 석영보다 큰 열 팽창 계수를 가지며, 온도 변화로 인한 상기 컴포넌트의 임의의 형태 상의 위상 이동을 보상하도록 미리 결정된 기계적 변형력을 형성하는 재료를 상기 기판에 대해 선택하는 단계; 및/또는
(d) 상기 컴포넌트의 파장 응답에 실질적인 영향을 주지 않고 원하는 온도 보상 효과를 제공하도록 상기 기판에 대한 상기 컴포넌트의 기계적 위상 의존도를 조정하는 단계.
이러한 방법은 최소 열적 시프트 또는 미리 결정된 파장 시프트를 달성하기 위해 반복될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 컴포넌트의 제조시 사용되는 장치의 도면.
도 2는 광섬유 컴포넌트가 고정된 강체 기판의 도면.
도 3은 본 발명에 따른 커플러의 안정화에서 얻어진 결과를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 필터의 안정화에서 얻어진 결과를 나타내는 그래프.
본 발명에 따른 온도 안정화에 적합한 광섬유 컴포넌트 예를 들면, 커플러, 필터 또는 다른 형태의 도파관 간섭계가 도 1에 도시된 바와 같은 장치상에 형성되고, 열원(28)에 의해 가열된 중간부(26)를 신장하기 위해 화살표(22, 24)로 도시된 바와 같이 광섬유(18, 20)를 인장시킬 수 있는 모터 장착 스테이지(14, 16) 상에 장착된 두 개의 광섬유 홀더(10, 12)를 가진다. 스테이지(14, 16)는 중간부(26)에서 커플러 또는 필터 테이퍼 길이의 정확한 제어 및 모터 장착 스테이지(14, 16)에 의한 인장 속도에 대한 우수한 제어를 가능케 하는 정확한 위치 설정력을 가진다. 전형적으로, 위치설정 특성은 0.1㎛ 위치설정력이다.
광섬유 홀더(10, 12)는 신장 동안 임의의 슬리패지(slippage)도 발생하지 않도록 광섬유(18, 20)를 제자리에 단단히 홀딩할 수 있게 제조된다. 과정의 재현성을 위해, 광섬유 홀더는 열원(28)의 위치에 대해 정확하고 재현성 있는 광섬유 위치설정을 가능케 하여, 반복되는 제조 동안 컴포넌트의 원하는 세로형의 프로파일이 재현될 수 있도록 하고, 기판 신장이 항상 컴포넌트에서 동일한 이동을 형성할 수 있도록 한다. 적어도 두 개의 광섬유가 신장되는 커플러 또는 다른 컴포넌트에서, 특정 기계적 정렬 장치(30, 32)가 중간부에 적절하게 정렬된 광섬유(18, 20)를 홀딩시키는데 사용된다. 하지만, 광섬유 필터 또는 테이퍼에 대해, 오로지 단일 광섬유만이 필요하며 이에 따라 위치설정만이 중요하다.
도 1에 마이크로토치(microtorch)로 도시된 열원(28)은 다른 적절한 열원, 예를 들면, 작은 오븐, 가열 엘리먼트 또는 영역(26)내 테이퍼 프로파일의 여러 부분에 포커싱되는 CO2 레이저와 같은 레이저일 수 있다. 이러한 열원은 화살표 x, y, z로 표시된 바와 같이 x, y, z 방향으로 이동할 수 있어서 열 패턴과 위치를 영역(26)내 테이퍼를 따라 변화시켜 컴포넌트의 세로형의 프로파일의 정확한 프로파일 결정이 가능하도록 모터 장착 스테이지(34) 상에 장착되어야만 한다. 장치는 또한, 가열된 광섬유 영역 주위로의 원하지 않는 공기 이동을 제한하기 위한 보호용 셀(도시 안 됨)을 가진다.
도 1에 도시된 세트업의 동작은 다음과 같다:
광섬유(18, 20)가 보호용 플라스틱 피복이 벗겨져 자신의 중간부(26)가 완전하게 세정된 이후, 광섬유(18, 20)는 홀더(10, 12) 내에 위치되어 서로에 대해 그리고 열원 기준 위치에 대해 정렬된다. 열원(28)의 위치설정 스테이지(34)와 광섬유 홀더(14, 16) 모두를 제어하는 컴퓨터 프로그램이 열원이 광섬유에 인접하도록 하는데 사용된다. 커플러에서, 광섬유는 미리 결정된 용융 프로파일으로 용융되고 일반적으로 수 밀리미터의 길이를 갖는다. 이러한 용융 프로파일은 커플러의 파장 특성과 기계적 특성 모두에 매칭되도록 조정되어야만 하는 파라미터 중 하나를 구성한다. 광섬유 필터에서는, 임의의 용융 단계도 없는데, 그 이유는 오로지 하나의 광섬유가 사용되기 때문이다.
커플러와 필터 모두에 대한 다음 단계는 신장이다. 광섬유가 연성을 가지도록 하기에 충분히 인접하여 불꽃이 위치한다. 스테이지(14, 16)를 구동하는 모터(도시 안됨)는 광섬유 테이퍼 프로파일을 형성하는 광섬유를 인장하도록 동작된다. 이러한 프로파일은 테이퍼의 길이를 따른 불꽃 열 패턴과 위치 및 인장 속도에 의존한다.
커플러에서, 단열 프로파일 즉, 고차원의 광학 모드를 커플링하지 않도록 하기에 충분히 작은 테이퍼 기울기를 가진 프로파일을 구현하는 것이 중요하며, 이러한 고차원 광학 모드는 결국 원하지 않는 손실을 야기한다. 이를 달성하기 위해, 충분히 넓은 불꽃이 요구되고 큰 불꽃을 일으키도록 길이 방향으로 토치를 앞뒤로 브러싱(brush)할 수 있다. 프로파일 설계에서의 중요한 한가지는 브러시 폭이 신장 동안 변할 수 있고 이는 프로파일 변화를 일으키며 이에 따라 기계적 및 파장 특성을 변화시킨다. 필터에 대해서, 동일한 토치 제어가 사용되지만, 컴포넌트에 대해 파장 필터링 특성을 제공하는 형태상의 간섭계를 형성하도록 과정 중 일 지점에서 동일한 비-단열(non-adiabatic) 영역을 형성해야만 한다. 필터 및 커플러 모두에 대해, 원하는 파장 주기 및 위상이 달성되면 신장 과정이 중단된다.
커플러 또는 필터와 같은 원하는 컴포넌트가 상술된 바와 같이 제조되면, 도 2에 도시된 것과 같은 선택된 기판에 고정된다. 이러한 도면에서, 컴포넌트(36)는 접착성 본드(40, 42, 44, 46)에 의해 강체 기판에 고정되는 것이 도시된다. 이러한 광섬유(18, 20), 컴포넌트(36) 및 강체 기판(38) 사이의 본드는 기판의 열 팽창을 컴포넌트 상에 전파할 만큼 충분히 강력해야 한다. 다음으로, 기판(38)은 보호용 튜브(도시 안 됨) 내에 삽입되거나 그렇지 않을 경우 패키징된다. 보호용 튜브 또는 패키지와 기판 사이의 본딩은 유연성을 가져서, 튜브 또는 패키지와 기판 사이의 임의의 비매칭 온도 효과도 기판에 영향을 주지 않도록 해야한다.
따라서, 본 발명에 따른 온도 보상 장치의 설계시, 테이퍼형 컴포넌트의 파장 특성과 기계적 특성 모두 세로형의 테이퍼 프로파일에 의존한다는 사실을 고려해야만 한다. 따라서, 열 팽창이 광섬유 그 자체에 의존하는 브래그 격자와는 반대로, 여러 세로형의 프로파일 즉, 여러 파장 주기와 파장을 가진 테이퍼형 컴포넌트는 여러 다른 온도 응답을 가질 것이다. 따라서, 유형별로 테이퍼형 컴포넌트의 온도 보상 패키지를 개발해야만 한다. 하지만, 유사한 광학적 특성과 세로형의 프로파일을 가진 컴포넌트에 대해 공지된 기능성 패키지에 작은 변경을 가함으로써 새로운 패키지를 제조할 수 있으며, 당업자라면 특정 응용에 본 발명을 쉽게 응용할 수 있을 것이다.
실시예
두 개의 제한적이지 않는 실시예가 본 발명의 바람직한 실시예로서 제공된다. 제 1 실시예는 11㎛ 채널 분리(1460-1471㎛)를 가진 커플러에 관한 것이고, 제 2 실시예는 1600㎛에서의 1.6㎛ 채널 분리에 관한 것이다.
온도 보상을 달성하기 위해, 기판 신장 응답을 컴포넌트 응답에 매칭시킬 필요가 있다. 컴포넌트 응답을 알기 위해, 컴포넌트를 석영 기판에 본딩할 수 있다. 이러한 석영은 광섬유의 용융된 실리카와 동일한 팽창 계수(5.5×10-7/℃)를 가지기 때문에, 기판은 임의의 보상 효과도 유도하지 않는다. 석영 기판에 본딩된 컴포넌트는 온도가 증가됨에 따라 긴 파장쪽으로의 이동을 나타낸다. 보상 신장을 위해, 기판은 석영보다 큰 열 팽창 계수를 가져야만 한다. 실제적인 재고 관리의 이유로, 석영보다 큰 열 팽창 계수를 가지는 제한된 수의 재료를 가지도록 한다. 여기에 개시된 커플러와 필터에 대해, 하나는 13×10-7/℃의 열 팽창 계수를 가지며 다른 하나는 18×10-7/℃를 가지는 각각 타입 I와 타입 II로 불리는 두 가지 형태의 실리카 유리가 선택되고, 이들은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 보상에 적합한 것으로 판명되었다.
이러한 재료를 컴포넌트가 장착되는 강체 기판으로 사용함으로써, 컴포넌트의 테이퍼 프로파일이 주어진 기판에 대해 원하는 온도 보상 효과를 보장하기 위해 적정 변형력을 형성하도록 설계된다. 더욱이, 상술된 바와 같이 이러한 프로파일은 커플러에 대해 필요한 파장 응답을 제공한다.
프로파일 설계는 이하의 방식으로 수행된다:
표준 프로파일이 원하는 파장 응답을 적절히 달성하도록 형성된다. 이러한 컴포넌트는 타입 I 기판상에 본딩된다. 컴포넌트 스펙트럼 응답이 온도의 함수로서 즉, -20℃ 내지 +70℃에서 측정되고, 온도 이동이 설정된다. 만일 온도 이동이 양의 값이라면, 설계는 충분한 온도 보상을 제공하지 못하고 언더-보상된다. 만일 이동이 음의 값이라면 설계는 너무 큰 보상을 제공하여 오버-보상된다.
언더-보상의 경우, 여러 가지를 수행할 수 있다 즉:
(a) 타입 II 유리와 같은 큰 온도 팽창 계수를 가진 기판을 선택하는데, 이러한 선택은 언더-보상이 클 경우 일반적으로 사용되며,
(b) 컴포넌트의 두 개의 본딩 지점들(42, 44)을 더 떨어뜨려 위치시켜 큰 인장 효과를 형성하며,
(c) 컴포넌트의 테이퍼 프로파일이 변형력에 더 민감해지도록 변화시키는데, 이는 작은 웨이스트를 가진 프로파일을 설계함으로써 달성되지만 컴포넌트의 파장 응답을 변화시키지 않도록 주의 깊게 수행되어야 한다.
오버-보상의 경우, 이하의 선택이 사용 가능하다:
(a) 작은 팽창 계수를 가진 기판을 선택하며,
(b) 본딩 지점들(42, 44)을 서로 더 가깝게 위치시켜 더 적은 인장 효과를 형성하는데, 본딩 지점들이 테이퍼 영역내에 위치하면 안되므로 전체 테이퍼 길이에 의해 제한되게 위치시켜야 하며,
(c) 테이퍼 프로파일의 웨이스트를 더 크게 하는데, 이는 컴포넌트 크기를 증가시킨다.
상술된 과정은 가능한 최소 열적 이동을 달성하도록 반복될 수 있다. 또한, 이러한 반복 과정은 미리 결정된 0이 아닌 파장 이동을 달성하고자 할 때도 사용될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 하기 위해 수행된 2 실시예는 이하와 같이 요약될 수 있다:
실시예 1
11㎛ 채널 간격을 가진 25개의 멀티플렉싱 커플러가 제조되었다. 테이퍼형 구조물이 적정 파장 간격을 달성하기 위해 33mm 신장되었다. 컴포넌트는 65mm의 타입 I 유리 기판에 본딩되었다. 본딩 지점들 사이의 거리는 대략 50mm였다. 그 결과가 도 3에 요약되어 있으며, 컴포넌트의 스펙트럼 응답은 -20℃ 내지 +70℃에서 측정되었으며 ℃당 피코미터인 온도 의존도는 다양한 컴포넌트들에 대해 주어지며, 이 경우 평균값 1.237pm/℃인 곡선이 도시되어 있다. 이러한 실시예에 대한 통계적 표준 편차는 1.737pm/℃이다. 현재 시판되고 있는 종래 기술의 경우 온도 의존도는 일반적으로 8-10pm/℃이고, 본 발명의 온도 안정화된 커플러는 종래 기술에 비해 상당한 개선을 나타낸다.
실시예 2
3.2㎛ 주기를 가진 30개의 사인 필터가 제조되었다. 테이퍼형 구조물이 적정 파장 간격을 달성하기 위해 35mm 신장되었다. 컴포넌트는 70m의 타입 II 유리 기판에 본딩되었다. 본딩 지점들 사이의 거리는 대략 55mm이다. 그 결과가 도 4에 요약되어 있으며, 컴포넌트의 스펙트럼 응답은 0℃ 내지 +70℃에서 측정되었고 ℃당 피코미터인 온도 의존도가 다양한 컴포넌트에 대해 주어지며, 이 경우 0.619pm/℃인 평균값을 나타내는 곡선이 도시되어 있다. 이러한 실시예의 표준 편차는 1.219pm/℃이다. 현재 시판되고 있는 종래 기술의 경우 온도 의존도는 일반적으로 10-15pm/℃이고, 본 발명의 온도 안정화된 필터는 종래 기술에 비해 상당한 개선을 나타낸다.
상술된 실시예에서 알 수 있듯이, 모든 컴포넌트는 특정 온도 안정화 설계를 필요로 한다. 하지만, 일단 적정 설계가 주어진 컴포넌트에 대해 설정되면, 테이퍼 프로파일의 변화가 작을 경우 안정화를 달성하기 위해 적은 수정만이 필요하게 된다. 따라서, 본 발명에 따라 다양한 컴포넌트에 대해 이러한 설계를 쉽게 적용할 수 있다.
본 발명은 상술된 실시예에 한정되는 것이 아니라는 것을 숙지해야 하며, 당업자라면 본 발명의 개념과 첨부된 청구항을 벗어남없이 여러 변경이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 온도 안정화된 테이퍼형 광섬유 컴포넌트로서,
    상기 온도 안정화된 테이퍼형 광섬유 컴포넌트는 기계적 위상 의존도와 미리 결정된 파장 응답에 따라 테이퍼 프로파일을 형성하는 광섬유의 용융(fusion) 또는 테이퍼링에 의해 형성되며,
    상기 컴포넌트는 상기 그의 단부에서 강체 기판과 단단히 본딩되며,
    상기 강체 기판은 석영보다 높은 열 팽창 계수를 가지며, 상기 강체 기판 신장 응답과 상기 컴포넌트의 파장 응답을 매칭시킴으로써 온도 변화로 인한 상기 컴포넌트의 임의의 형태 상(modal phase)의 위상 이동을 보상하도록 제공되는 기계적 변형력를 야기시키는 재료로 구성되며,
    상기 컴포넌트의 기계적 위상 의존도는 원하는 온도 보상 효과를 제공하기 위해 상기 기판에 대해 조정되는 온도 안정화된 테이퍼형 광섬유 컴포넌트.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 신장 응답은
    Figure 112005019045053-pct00024
    에 의해 결정되고, 여기서 ls는 기판 신장이고, d는 상기 기판에 대한 상기 컴포넌트의 본딩 지점들 사이의 거리이며, K는 상기 기판의 열 팽창 계수이고,
    Figure 112005019045053-pct00025
    는 온도 변화인 것을 특징으로 하는 온도 안정화된 테이퍼형 광섬유 컴포넌트.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 테이퍼형 광섬유 컴포넌트의 온도 안정화 방법으로서,
    (a) 기계적 위상 의존도 및 미리 결정된 파장 응답을 따르는 테이퍼 프로파일을 가진 테이퍼형 광섬유 컴포넌트를 형성하기 위해 광섬유를 용융 또는 테이퍼링하는 단계;
    (b) 상기 컴포넌트를 상기 컴포넌트들의 각 단부에서 강체 기판에 단단히 본딩시킴으로써 상기 컴포넌트를 상기 강체 기판에 견고히 고정하는 단계;
    (c) 석영보다 큰 열 팽창 계수를 가지며, 온도 변화로 인한 상기 컴포넌트의 임의의 형태 상의 위상 이동을 보상하도록 미리 결정된 기계적 변형력을 야기시키는 재료를 상기 기판 재료로서 선택하는 단계; 또는
    (d) 상기 컴포넌트의 파장 응답에 충분히 영향을 주지 않고 원하는 온도 보상 효과를 제공하기 위해 상기 기판에 대해 상기 컴포넌트의 기계적 위상 의존도를 조정하는 단계
    중 적어도 하나의 단계를 포함하는 테이퍼형 광섬유 컴포넌트의 온도 안정화 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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  16. 삭제
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  18. 삭제
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