KR100786617B1 - 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법 - Google Patents

편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편파 유지 광파이버 커플러에 관한 것으로, 2개의 편파 유지 광파이버를 병렬시키고, 그 길이 방향의 일부를 가열하여 이 길이 방향으로 연신하여 융착 연신부를 형성하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법에 있어서, 사용 파장에서 연신 길이에 따른 2개의 편파 결합도의 변화 주기가 모두 2주기 이내인 시점에서 연신을 종료하여 한쪽 편파 결합도가 10% 이하이고 다른 쪽 편파 결합도가 90% 이상인 편파 유지 광파이버 커플러를 제조함으로써, 종래보다 연신 길이가 짧고 결합도의 편파 의존성이 큰 편파 유지 광파이버 커플러를 제공할 수 있다.
광파이버 커플러, 편파유지, 광파이버 통신, 광섬유

Description

편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING POLARIZATION-MAINTAINING OPTICAL FIBER COUPLER}
도 1은 제1 실시예의 편파 유지 광파이버 커플러의 연신 길이와 결합도의 관계를 도시한 그래프.
도 2는 제1 실시예의 편파 유지 광파이버 커플러의 파장과 결합도의 관계를 도시한 그래프.
도 3은 제2 실시예의 편파 유지 광파이버 커플러의 연신 길이와 결합도의 관계를 도시한 그래프.
도 4는 제2 실시예의 편파 유지 광파이버 커플러의 파장과 결합도의 관계를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 적합한 편파 유지 광파이버의 일례를 도시한 단면도.
도 6은 제3 실시예의 편파 유지 광파이버 커플러의 연신 길이와 결합도의 관계를 도시한 그래프.
도 7은 제3 실시예의 편파 유지 광파이버 커플러의 연신 길이와 과잉 손실의 관계를 도시한 그래프.
도 8은 제3 실시예의 편파 유지 광파이버 커플러의 파장과 결합도의 관계를 도시한 그래프.
도 9는 통상의 PANDA형 광파이버를 사용한 경우의 편파 유지 광파이버 커플러의 연신 길이와 과잉 손실의 관계를 도시한 그래프.
도 10은 통상의 PANDA형 광파이버를 사용한 경우의 편파 유지 광파이버 커플러의 연신 길이와 과잉 손실의 관계를 도시한 그래프.
도 11 (A)는 코어 반경으로 정규화된 2개의 코어 사이의 중심간의 거리와 정규화된 결합 계수와 정규화 주파수의 관계를 도시한 그래프, 도 11 (B)는 그래프 횡축의 값의 설명도.
도 12는 PANDA형 광파이버의 일례를 도시한 단면도.
도 13은 편파 유지 광파이버 커플러의 일례를 도시한 설명도.
도 14 (A)는 연신 길이와 결합도의 관계를 도시한 그래프, 도 14 (B)는 편파 유지 광파이버 커플러의 동작을 도시한 설명도.
본 발명은 광파이버 통신 분야, 광파이버를 사용한 센서 분야 등에서 유용한, 광파이버 중의 광의 편파(偏波) 상태를 유지한 채 광의 합류, 분기를 행하는 신규 편파 유지 광파이버 커플러를 제공한다.
광의 모드는 전계의 방향이 직교하는 X 편파와 Y 편파로 구성되어 있다. 이들 편파를 합류, 분기시킬 수 있는 디바이스를 편파 빔 스플리터(이하, PBS라고 함)라고 한다. PBS는 예를 들면 광의 간섭을 사용하여 각(角) 가속도를 측정하는 광파이버 자이로나 직선 편파를 가지는 광원으로부터의 광을 합류, 분기시키거나 하는 데에 유용하다. PBS로서의 특성을 실현하기 위해서는 X 편파－Y 편파 사이에서 상이한 결합 특성을 가질 필요가 있다.
이와 같은 광 디바이스로 편파 유지 광파이버를 사용한 편파 유지 광파이버 커플러가 제안되어 있다.
편파 유지 광파이버는 여러 가지가 제안되어 있으며, 대표적인 것으로 PANDA형 광파이버(Polarization maintaining AND Absorption reduced fiber)가 알려져 있다.
도 12는 PANDA형 광파이버의 일례를 도시한 것으로, 이 PANDA형 광파이버(10)는 중심에 설치된 코어(core)(11)와, 이 코어(11)의 주위에 이 코어(11)와 동심원상으로 설치되며 이 코어(11)보다 저귤절률을 가지는 클래드(clad)(12)와, 이 클래드(12) 내에 상기 코어(11)를 중심으로 대칭 배치되고 이 클래드(12)보다 저굴절률을 가지며 단면이 원형인 2개의 응력 부여부(13, 13)로 구성되어 있다.
이 예에서 코어(11)는 게르마늄 첨가 석영 유리, 클래드(12)는 순석영 유리, 응력 부여부(13)는 붕소가 비교적 대량으로 첨가된 석영 유리로 각각 구성되어 있다. 코어(11)의 외경, 응력 부여부(13)의 외경, 코어(11)와 클래드(12)의 비굴절률차(比屈折率差), 클래드(12)와 응력 부여부(13)의 비굴절률차는 원하는 특성 등에 따라 적당하게 설정된다. 클래드(12)의 외경은 통상적으로 125㎛가 된다.
상기 응력 부여부(13)는 클래드(12)보다 큰 열 팽창 계수를 가지고 있다. 따라서, 광파이버의 제조 시에 와이어드로잉한 광파이버가 냉각되는 과정에서 파이버 단면에 응력 부여부(13)로 인한 왜곡을 발생시킨다.
그리고, 이 왜곡은 코어(11)에 대해 이방성(異方性) 왜곡을 발생시키고, 그 결과 편파의 축퇴(縮退)가 해제되어 X 편파의 전파 정수(定數)와 Y 편파의 전파 정수가 상이한 값이 되고, 당연히 이들 편파의 전자계의 분포도 상이한 것이 된다. 그 결과, X 편파와 Y 편파가 보존된 상태에서 전파되는 특성이 얻어진다.
도 13은 편파 유지 광파이버 커플러의 일례를 도시한 것으로, 이 편파 유지 광파이버 커플러(14)는 2개의 PANDA형 광파이버(10, 10)를 각각의 편파축이 평행하게 되도록 병렬시키고, 이들 PANDA형 광파이버(10, 10) 도중의 클래드(12, 12)를 접촉시키고 가열, 용융하는 동시에 그 길이 방향으로 연신함으로써 융착 연신부(광결합부)(3)를 형성한 것이다. 그리고, 편파축이란 각각의 PANDA형 광파이버(10)에서 응력 부여부(13, 13)의 중심을 통과하는 선을 말한다.
이 편파 유지 광파이버 커플러에서, X 편파는 PANDA형 광파이버(10, 10)의 편파축 방향으로 전계 벡터를 유지하여 전파하고 Y 편파는 이것과 직교하는 전계 벡터를 유지하여 PANDA형 광파이버(10, 10) 내에서 전파한다. 그리고 도중의 융착 연신부(3)에서 X 편파와 Y 편파의 합류, 분기가 행해진다.
종래의 편파 유지 광파이버 커플러에서는, 융착 연신부(3)를 형성할 때 광파이버(PANDA형 광파이버(10))를 연신하는 길이, 즉 연신 길이를 길게 함으로써 X 편파의 결합도와 Y 편파의 결합도의 차를 실현하여 PBS로서의 특성을 부여할 수 있다.
도 14 (A)는 연신 길이와 사용 파장의 광 결합도의 관계를 도시한 그래프이다. 파선은 X 편파의 결합 특성, 실선은 Y 편파의 결합 특성이다.
종래의 편파 유지 광파이버 커플러의 융착 연신부의 제조에서는, X 편파와 Y 편파를 함께 한쪽 편파 유지 광파이버(제1 광파이버)로부터 다른 쪽 편파 유지 광파이버(제2 광파이버)에 결합시킨 후 더 연신을 진행함으로써 다시 각각의 편파를 제1 광파이버에 이행(결합)시키고, 또 제2 광파이버에 이행시키는 조작을 반복한다.
통상의 편파 유지 광파이버를 사용하여 융착 연신부(3)를 형성하는 경우에는, Y 편파의 결합이 X 편파의 결합보다 약간 작기 때문에 Y 편파와 X 편파의 결합도의 변화 주기(이행 기간)에 약간의 차가 발생하고 있다. 여기에서, 편의상 처음에 결합도가 0%으로부터 증가하여 100%에 이르고 다시 결합도가 감소하여 0%에 이르는 변화를 1주기, 다시 결합도가 증가하여 100%에 이르고 다시 0%에 이르는 변화를 2주기로 센다.
그리고 연신 길이가 길어져 이 주기가 수 주기에서 수십 주기가 되면 X 편파와 Y 편파의 결합도의 차가 커진다. 그리고, 그래프 중 화살표로 나타낸 결합도의 차가 커지는 부근까지 연신하여 융착 연신부(3)를 형성하면, 도 14 (B)에 도시한 바와 같이 출력측 포트(A)와 동일한 파이버로 이루어지는 입력측 포트로부터 사용 파장의 X 편파와 Y 편파를 입력했을 때, 출력측 포트(A)로부터는 X 편파가 출력되고 포트(B)로부터는 Y 편파가 출력되는 PBS로서의 특성이 얻어진다.
그러나, 종래의 편파 유지 광파이버 커플러에서 X 편파와 Y 편파를 합류, 분 기시키기 위해서는 소자 길이가 길어진다는 문제가 있다. 예를 들면 외경 125㎛의 편파 유지 광파이버를 사용한 경우, 연신 길이가 60mm 이상, 때로는 100mm 정도가 되는 경우가 있다.
그 결과, 융착 연신부가 매우 가늘어지고 기계적인 강도가 저하되어 보강이 필요하게 된다. 그러나, 융착 연신부에 보강재를 접촉시키면 광학 특성이 변화되기 때문에 보강은 곤란하다.
또 X 편파와 Y 편파를 합류, 분기 가능한 파장 대역이 극단적으로 좁고, 예를 들면 10nm 정도라는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 종래보다 연신 길이가 짧고 결합도의 편파 의존성이 큰 편파 유지 광파이버 커플러를 얻는 것을 목적으로 한다.
또, 기계적인 강도를 향상시킬 수 있는 편파 유지 광파이버 커플러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 넓은 파장 대역에서 사용 가능한 편파 의존성을 가지는 편파 유지 광파이버 커플러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법은 2개의 편파 유지 광파이버를 병렬시키고, 그 길이 방향의 일부를 가열하여 이 길이 방향으로 연신하여 융착 연신부를 형성하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법에 있어서, 사용 파장에서 연신 길이에 따른 2개의 편파 결합도의 변화 주기가 모두 2주기 이내의 시점에서 연신을 종료하여 한쪽 편파 결합도가 10% 이하이고 다른 쪽 편파 결합도가 90% 이상인 편파 유지 광파이버 커플러를 제조하는 것을 특징으로 한다.
이 제조 방법에서는, 2개의 편파 유지 광파이버의 코어를 가능한 근접시키지 않도록 하여 융착 연신부를 형성함으로써 광 결합이 발생하는 시점으로부터 상기 편파 유지 광파이버 중 2개의 편파 결합도의 차를 크게 하는 것이 바람직하다.
또, 한쪽 편파 결합도가 10% 이하이고 다른 쪽 편파 결합도가 90% 이상인 범위가 유지되는 파장 대역이 30nm 이상인 편파 유지 광파이버 커플러를 제조하는 것이 바람직하다.
또, 코어를 둘러싸는 클래드 내에 코어에 대해 대칭적으로 배치된 응력 부여부를 가지고, 코어의 동심원으로서 응력 부여부에 걸리지 않으며 또한 그 내부에 응력 부여부를 포함하지 않는 원 중, 최대 원의 직경이 20㎛ 이상인 편파 유지 광파이버를 사용하여 편파 유지 광파이버 커플러를 제조하는 것이 바람직하다.
상기 직경은 더욱 바람직하게는 25∼30㎛이 된다.
또, 상기 직경이 20㎛ 이상인 편파 유지 광파이버의 복굴절률은 바람직하게는 5×10－5∼5×10－4이다.
또, 이 편파 유지 광파이버의 편파 크로스토크는 바람직하게는 －20dB／km 이상이다.
또, 이 편파 유지 광파이버의 손실은 바람직하게는 1dB／km 이상이다.
또, 이 편파 유지 광파이버를 사용하여 편파 유지 광파이버 커플러를 제조함에 있어, 리드 파이버의 길이를 10m 이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에서는 편파 유지 광파이버로서 PANDA형 편파 유지 광파이버를 사용하는 것이 바람직하다.
[실시예]
이하 본 발명의 상세한 내용에 대해 설명한다.
도 1은 제1 실시예에서의 융착 연신부 형성 시의 연신 길이와 파장 1550nm(사용 파장)의 광 결합도의 관계를 도시한 그래프이다.
이 실시예에서 사용한 편파 유지 광파이버는 다음과 같은 PANDA형 광파이버이다.
(PANDA형 광파이버의 특성)
코어 직경(코어 반경) 6.5㎛(3.25㎛)
클래드 직경 125㎛
코어 클래드 사이의 비굴절률차 0.35%
응력 부여부의 외경 35㎛
응력 부여부의 중심간의 거리 55㎛
직경 A 20㎛
사용 파장 1550nm
사용 파장에서의 모드 복굴절률 4×10－4
얻어진 편파 유지 광파이버 커플러의 융착 연신부의 최소 직경은 61㎛, 동일 형상(애스펙트비)은 1.89, 연신 길이는 17.8mm이다. 그리고 상기 동일 형상(애스펙트비)이란 융착 연신부의 중앙부의 최대 외경과 최소 외경의 비이다(최대 외경／최소 외경).
이 편파 유지 광파이버 커플러의 특성을 표 1에 나타낸다.
[표 1]
과잉 손실 (1550nm) X 편파 0.12dB
Y 편파 0.33dB
결합도 (1550nm) X 편파 0.9%
Y 편파 99.2%
Y 편파 90% 대역 58nm
X 편파 15% 대역 1600nm 이하
전술한 바와 같이 융착 연신부를 형성함에 있어, 연신 길이가 길어짐에 따라 X 편파와 Y 편파 각각에서 결합도가 0%에서 100%에 이르고 다시 0%에 이르는 변화가 반복된다.
본 발명에서는 가능한 2개의 편파 유지 광파이버의 코어가 근접되지 않도록(코어 중심간의 거리가 과도하게 작아지지 않도록) 가열, 용융시켜 융착 연신부를 형성함으로써 결합도가 증가하기 시작하는 시점으로부터 X 편파－Y 편파 사이에 큰 결합도의 차를 발생시킬 수 있다.
그 결과, 도 1에 도시한 바와 같이, Y 편파에 대해서는 결합도가 증가하여 처음에 100%에 도달한 시점(1／2 주기)에서 연신을 종료하고, X 편파에 대해서는 거의 결합도가 증가하지 않는 시점에서 연신을 종료함으로써, 예를 들면 1개의 편파 유지 광파이버로부터 다른 쪽 편파 유지 광파이버에 대해 주로 Y 편파만이 결합하고 X 편파가 거의 결합하지 않는 상태에서 융착 연신부를 형성할 수 있다.
그리고, 이와 같이 융착 연신부의 2개의 코어의 근접도를 조정함으로써, 도 2에 도시한 바와 같이 넓은 파장 영역에서 X 편파와 Y 편파의 충분한 결합도의 차를 실현할 수 있다.
이 예에서, Y 편파의 결합도가 90% 이상이며 또한 X 편파의 결합도가 10% 이하인 범위는 58nm이며 매우 넓어져 있다. 또 장파장 측에서 X 편파의 결합도가 약간 상승하기 때문에 X 편파의 파장 의존성은 단파장 측이 작다.
구체적인 융착 연신부의 제조 조작에서는, 2개의 편파 유지 광파이버의 코어 중심간의 거리가 과도하게 근접되지 않도록 광파이버의 외형이 유지되기 쉬운 가열 조건을 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들면 버너 등의 가열원의 온도를 종래보다 낮게 설정하거나 가열원으로부터의 거리를 넓게 하는 등의 방법을 예시할 수 있다. 또 연신을 고속으로 행하고 단위 시간당의 열량을 적게 하는 방법 등을 예시할 수 있다.
실제로는 입력측의 포트로부터 사용 파장의 광을 입력하고 출력측의 2개의 포트로부터 출력되는 광을 모니터하면서 가열, 연신을 행하고 원하는 결합도가 얻어진 시점에서 작업을 종료한다.
도 3은 제2 실시예에서의 융착 연신부 형성 시의 연신 길이와 파장 1550nm(사용 파장)의 광 결합도의 관계를 도시한 그래프이다.
제2 실시예에서도 전술한 제1 실시예와 마찬가지로, 가능한 2개의 편파 유지 광파이버의 코어가 과도하게 근접되지 않도록 가열, 용융시켜 융착 연신부를 형성함으로써 융착 연신부에서 2개의 코어 중심간의 거리를 유지하고, 결합도가 증가하기 시작하는 시점으로부터 X 편파－Y 편파 사이에 큰 결합도의 차를 발생시키고 있다.
이 제2 실시예에서, 도 3에 도시한 바와 같이 Y 편파에 대해서는 그 결합도가 증가하여 한번 100%에 이르고, 이어서 감소하여 0%에 이른 시점(1주기)에서 연신을 종료하고 있다. 한편, X 편파에 대해서는 그 결합도가 처음에 100%에 이른 시점(1／2 주기)에서 연신을 종료하고 있다.
그 결과, 이 제2 실시예에서도 도 4에 도시한 바와 같이 넓은 파장 영역에서 X 편파와 Y 편파의 결합도의 차를 실현할 수 있다.
이 편파 유지 광파이버 커플러의 융착 연신부의 최소 직경은 41㎛, 동일 형상(애스펙트비)은 1.98, 연신 길이는 24.2mm이다.
이 편파 유지 광파이버 커플러의 특성을 표 2에 나타낸다.
[표 2]
과잉 손실 (1550nm) X 편파 0.14dB
Y 편파 0.45dB
결합도 (1550nm) X 편파 99.1%
Y 편파 1.1%
X 편파 90% 대역 35nm
Y 편파 15% 대역 43nm
이 예에서, X 편파의 결합도가 90% 이상이며 또한 Y 편파의 결합도가 10% 이하인 범위는 35nm이며, 종래에는 10nm 정도였던 것에 비해 3배 이상 넓게 할 수 있 다.
이어서 본 발명에 적합한 편파 유지 광파이버에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명에 적합한 편파 유지 광파이버의 일례를 도시한 단면도로, 이 예의 편파 유지 광파이버는 PANDA형 광파이버이다.
이 PANDA형 광파이버(10)의 특징은 응력 부여부(13, 13) 사이의 거리가 큰 점이다. 이 거리는 코어(11) 또는 클래드(12)의 동심원이고 응력 부여부(13, 13)에 걸리지 않으며 또한 그 내부에 응력 부여부(13, 13)를 포함하지 않는 최대 원(15)의 직경(A)을 기준으로 정해져 있다. 직경(A)은 20㎛ 이상, 바람직하게는 25∼30㎛가 된다.
이 PANDA형 광파이버(10)를 사용하여 도 13에 도시한 바와 같은 편파 유지 광파이버 커플러를 구성한 경우, 융착 연신부(3)에서 코어(11)로부터 광이 스며 나와도 통상의 사용 파장에서의 사용인 경우, 이 광의 대부분은 응력 부여부(13, 13) 사이에 위치하며 응력 부여부(13)에 걸리지 않는다. 그러므로, 광 신호(코어(10)를 전파하는 모드：전파 광)가 고차 모드에 결합하기 어려워지고 과잉 손실의 증가를 억제할 수 있다.
직경(A)이 20㎛ 미만인 경우에는 과잉 손실이 커지는 경향이 있다. 30㎛를 넘으면 X 편파의 전파 정수와 Y 편파의 전파 정수의 차가 작아지고, X 편파－Y 편파 사이의 크로스토크(편파 크로스토크)가 열화되어 X 편파와 Y 편파의 보존 상태가 저하되는 경우가 있다.
그리고 통상의 통신용 등의 편파 유지 광파이버의 직경(A)은 12∼17㎛ 정도 이다. 이에 대하여 전술한 바와 같이 응력 부여부(13)가 이간되어 있으면, 응력 부여부(13)가 코어(11)에 부여하는 응력이 저하되어 통상의 편파 유지 광파이버와 비교하여 복굴절률이 저하되고, 또 fast 축(Y 편파축)과 slow 축(X 편파축) 사이의 크로스토크(X 편파－Y 편파 사이의 크로스토크)가 열화되는 경향이 있다. 또 손실도 약간 커지는 경우가 있다. 그러나, 편파 유지 광파이버 커플러의 파이버 사용 길이는 짧기 때문에, 편파 유지 광파이버 자체의 복굴절률, 크로스토크 및 손실 조건을 통신용 등의 통상의 것보다 완화해도 사용상으로는 특별히 문제는 없다.
구체적으로 본 발명에 적합한 편파 유지 광파이버의 복굴절률은 5×10－5∼5×10－4의 범위가 된다. 그리고, 통상의 통신용 등의 편파 유지 광파이버의 복굴절률은 5×10－4 정도이다.
또 단위 길이당의 크로스토크는 －20dB／km 이상, 실질적으로는 －20∼－10dB／km의 범위가 된다. 그리고 통상의 편파 유지 광파이버의 크로스토크는 －25dB／km 정도이다.
또 단위 길이당의 손실은 1dB／km 이상이 된다. 실질적으로는 1∼10dB／km이 된다. 그리고 통상의 편파 유지 광파이버의 손실은 0.2∼0.3dB／km 정도이다.
또 이 편파 유지 광파이버를 사용한 편파 유지 광파이버 커플러의 리드 파이버는 10m 이하로 하는 것이 바람직하다. 실질적으로는 0.5∼10m이 된다. 그리고 리드 파이버란, 예를 들면 도 13에 도시한 바와 같이 융착 연신부(3)의 양단으로부터 2개씩 연장되고 입출력 포트를 구성하는 편파 유지 광파이버(PANDA형 광파이버)(10)를 말한다. 리드 파이버가 과도하게 길면 편파 유지 광파이버 커플러를 투과할 때 광신호의 크로스토크나 손실이 커지기 때문이다.
그리고 코어(11), 클래드(12), 응력 부여부(13)는 예를 들면 종래와 동일한 재료로 형성된다. 또 응력 부여부(13)의 외경, 코어(11)와 클래드(12)의 비굴절률차, 클래드(12)와 응력 부여부(13)의 비굴절률차는 각각 원하는 특성 등에 따라 적당하게 설정된다. 통상 코어(11)의 모드 필드 직경은 코어(11)의 직경, 사용 파장 등에 따라 상이하지만 4∼10㎛ 정도가 된다. 또 클래드(12)의 외경은 125㎛ 정도가 된다.
도 6은 제3 실시예에서의 융착 연신부 형성 시의 연신 길이와 파장 980nm(사용 파장)의 광 결합도의 관계를 도시한 그래프이다.
이 실시예에서, Y 편파에 대해서는 결합도가 증가하여 처음으로 100%에 도달한 시점(1／2 주기)에서 연신을 종료하고, X 편파에 대해서는 거의 결합도가 증가하지 않는 시점에서 연신을 종료하고 있다. 도 7은 연신 길이의 증가에 따른 X 편파와 Y 편파의 과잉 손실의 변화를 각각 도시한 것으로, X 편파의 과잉 손실은 거의 변화하지 않고, Y 편파의 과잉 손실은 한번 증가한 후에 감소하여 0에 가깝게 되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고, Y 편파의 결합도가 충분히 증가한 점과 Y 편파의 과잉 손실이 0 부근이 된 점이 일치하고 있고 이 시점에서 연신을 정지함으로써, X 편파와 Y 편파의 결합도의 차가 크며 또한 과잉 손실이 작다는 특성을 실현할 수 있다. 그리고, 이 제3 실시예에서도 도 8에 도시한 바와 같이 넓은 파장 영역에서 X 편파와 Y 편파의 결합도의 차를 실현할 수 있다.
융착 연신부의 최소 직경은 58㎛, 동일 형상(애스펙트비)은 1.92, 연신 길이는 22mm이다.
이 편파 유지 광파이버 커플러의 특성을 표 3에 나타낸다.
[표 3]
과잉 손실 (980nm) X 편파 0.10dB
Y 편파 0.38dB
결합도 (980nm) X 편파 0.1%
Y 편파 99.6%
X 편파 90% 대역 36nm
Y 편파 15% 대역 1200nm 이하
한편, 도 9는 다음과 같은 직경(A)이 작은 통상의 PANDA형 광파이버를 사용하고, 제3 실시예와 동일하게 하여 편파 유지 광파이버 커플러를 제조했을 때의 연신 길이와 파장 980nm(사용 파장)의 결합도의 관계를 도시한 그래프이다. 도 10은 이 때의 연신 길이와 X 편파와 Y 편파의 과잉 손실의 관계를 도시한 그래프이다.
(PANDA형 광파이버의 특성)
코어 직경(코어 반경) 6.5㎛(3.25㎛)
클래드 직경 125㎛
코어 클래드 사이의 비굴절률차 0.35%
응력 부여부의 외경 35㎛
응력 부여부의 중심간의 거리 51㎛
직경 A 16㎛
사용 파장 980nm
사용 파장에서의 모드 복굴절률 5×10－4
도 6, 도 7과 비교하면 명확히 알 수 있는 바와 같이, 도 10에서는 연신 길이가 길어지면 X 편파의 과잉 손실은 거의 변화하지 않지만, Y 편파의 과잉 손실은 크게 증가하고 이어서 감소하지만 0 부근에 도달하지 않은 동안에 다시 증가한다. 그리고 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 결합도는 이 과잉 손실의 변동의 영향에 의해 증가, 감소를 반복한다. 따라서, Y 편파의 과잉 손실을 0 부근으로 할 수 없기 때문에, 어떤 조건에서 연신을 중지해도 제1 내지 제3 실시예의 편파 유지 광파이버 커플러와 비교하면 특성이 떨어지는 것은 부정할 수 없다. 또 Y 편파의 결합도가 크며 또한 과잉 손실이 작은 시점에서 연신을 중지하면 어느 정도 실용 가능한 것이 얻어지지만, 이러한 조건을 만족하는 연신 길이의 범위는 좁고 제조성이 낮은 경우가 많다. 그리고 사용 파장 등의 조건에 따라서는 이 예와 같이 통상의 편파 유지 광파이버를 사용해도 본 발명의 효과를 어느 정도 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는, 융착 연신부의 형성에서 결합도가 증가하기 시작하는 시점(광의 결합이 발생하는 시점)으로부터 X 편파－Y 편파 사이에 큰 결합도의 차가 발생하고 있기 때문에, 각각의 편파 결합도의 변화 주기가 2주기 이내인 범위에서, 다음에 도시한 편파 유지 광파이버 커플러에서의 바람직한 결합도 범위를 실현할 수 있다.
본 발명의 제조 방법으로 제조하는 편파 유지 광파이버 커플러에서는 사용 파장에 있어 한쪽 편파에 대한 결합도가 10% 이하이고 다른 쪽 편파에 대한 결합도 가 적어도 90% 이상이며 또한 이러한 결합도가 유지되는 파장 대역이 적어도 30nm 이상인 것이 바람직하다.
이와 같은 결합도의 범위를 실현함으로써 우수한 PBS로서의 특성이 얻어진다.
또 직경(A)이 20㎛ 이상인 편파 유지 광파이버를 사용함으로써 과잉 손실이 작은 편파 유지 광파이버 커플러를 제공할 수 있다.
이러한 결합도의 범위는 전술한 바와 같이 융착 연신부의 제작 시에 사용 파장의 광을 한쪽 편파 유지 광파이버에 입사시키고 2개의 편파 결합도를 모니터하며 원하는 특성이 얻어진 시점에서 작업을 종료함으로써 설정 가능하다.
도 2, 도 4, 도 6 및 도 9에 도시한 그래프와 같이, 본 발명에서는 결합도가 증가하기 시작하는 시점으로부터 X 편파－Y 편파 사이에 큰 결합도의 차가 생기고 있기 때문에, 2개의 편파 결합도의 변화 주기가 2주기 이내인 범위에서 X 편파와 Y 편파의 결합도의 차를 실현함으로써, 연신 길이가 길어지지 않고 전술한 결합도 범위를 유지할 수 있는 파장 대역을 30nm 이상으로 할 수 있다.
특히 이와 같이 넓은 파장 대역에서의 PBS로서의 특성의 실현은 종래의 기술에서는 이룰 수 없던 것이다.
2개의 편파 결합도가 전술한 범위 외이면, X 편파, Y 편파의 합류, 분기를 행하는 것이 곤란하게 된다. 또 상기 파장 대역이 30nm보다 좁으면 편파 결합도의 파장 의존성이 커지고 사용 파장이 제한된다.
또, 사용 파장은 통상 편파 유지 광파이버 커플러를 사용하는 파장대인 0.6 ∼1.7㎛ 범위 내인 것이 바람직하다. 또 상기 파장 대역도 이 범위 내인 것이 바람직하다.
전술한 실시예는 PANDA형 광파이버를 사용한 것이지만, 이에 한정되지 않고 보타이 파이버, 타원 자켓 파이버 등의 편파 유지 광파이버를 사용할 수도 있다.
단, 도 13에 도시한 단면도와 같이, 코어(11, 11) 사이에 가능한 응력 부여부(13) 등의 클래드(12) 이외의 부분이 위치하지 않도록 하면, 응력 부여부(13)의 흡수에 의한 손실이 적어 바람직하다. 가장 바람직하게는, 이 단면도와 같이 2개의 편파축이 평행하게 되도록 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 짧은 연신 길이로 결합도의 편파 의존성이 큰 편파 유지 광파이버 커플러를 얻을 수 있다. 그러므로, PBS를 제작하면 유효하다. 또, 연신 길이가 짧기 때문에 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또, X 편파 또는 Y 편파가 한쪽 편파 유지 광파이버로부터 다른 쪽 편파 유지 광파이버에 결합하는 회수(이행 회수)를 적게 할 수 있기 때문에 손실이 적다.
또한, 넓은 파장 대역에서 결합도의 편파 의존성이 큰 편파 유지 광파이버 커플러가 얻어진다. 이로 인해, 예를 들면 다파장 광을 입력하고 동시에 편파 분리 또는 편파 합성하는 광 회로의 제작에 유용한 PBS를 제공할 수 있다.
광파이버 커플러에서의 2개의 광파이버 각각의 길이 방향의 위치(Z)에서의 전파광의 파워－PA(Z), PB(Z)는 식 1로 표현된다.
[식 1]
PA(Z)＝1－Fsin2(qz)
PB(Z)＝Fsin2(qz)
F＝
Figure 112000011079024-pat00001
q＝
Figure 112000011079024-pat00002
κ＝결합 계수
δ＝(β2－β1)／2
β2, β1은 2개의 도파로(導波路)가 고립되어 존재하고 있다고 가정했을 때의 전파 정수
여기서, 2개의 광파이버가 가지는 코어 직경, 코어 클래드 사이의 비굴절률차가 동등하면 β1＝β2가 되고, δ＝0, F＝1이 되므로, 식 1은 다음의 식 2와 같이 간략화된다.
[식 2]
PA(Z)＝1－sin2(κZ)
PB(Z)＝sin2(κZ)
편파 유지 광파이버에서는 X 편파와 Y 편파 각각에 식 2가 성립한다. 이때, 편파 방향에 따라 결합 계수(κ)가 편파에 의존하지 않으면 소정 파장에서 편파에 의존한 결합 특성은 얻어지지 않는다.
도 11 (A)는 κ가 광파이버의 구조에 의존하는 것을 도시한 그래프이다(참고 문헌：코로나사 간행, 포토닉스 시리즈「광 도파로의 기초」 岡本勝就 저술 p 151).
횡축(D／a)의 D는 도 11 (B)에 도시한 바와 같이, 융착 연신부에서의 2개의 코어 A, 코어 B의 중심간의 최소 거리, a는 코어 A, 코어 B의 공통 반경이다. 종축은 정규화된 광의 결합 계수이다.
그래프 중에 도시된 V는 광파이버 코어의 정규화 주파수로서, 다음의 식 3으로 표현된다.
[식 3]
V：정규화 주파수
V＝(2π／λ) an1
Figure 112000011079024-pat00003
코어 반경 a
코어의 굴절률 n1
코어 클래드 사이의 비굴절률차(상대 굴절률차)
Figure 112000011079024-pat00004
광의 파장 λ
식 3 중의
Figure 112000011079024-pat00005
은 다음의 식 4로 표현된다.
[식 4]
Figure 112000011079024-pat00006
＝(n1 2－n2 2)／(2n1)
클래드의 굴절률 n2
이 클래드는 간단히 하기 위해 2개의 광파이버의 정규화 주파수(V)가 동등한 경우를 도시한 것이다. 도 11 (A)로부터 정규화 주파수(V)에 따라 결합 계수(κ)가 크게 변동하는 것을 알 수 있다.
또, 정규화 주파수(V)는 광파이버 커플러를 구성하는 광파이버에서 싱글 모드 전파를 보증하는 값으로 해야 한다. 스텝형의 굴절률 분포를 가지는 광파이버에서는, V＜＝2.405를 만족하는 경우에 싱글 모드 조건이 보증된다. 편파 유지 광파이버에서는 싱글 모드 조건이 각각의 편파에 대해 고려되어 있다.
편파 유지 광파이버 커플러에서는 2개의 코어 사이의 X 편파끼리의 결합과 Y 편파끼리의 결합을 고려한다. 도 13에 도시한 바와 같이, 2개의 편파 유지 광파이버(PANDA형 광파이버)(10, 10)의 편파축이 평행한 경우에는, 이론적으로는 X 편파와 Y 편파의 결합(편파 크로스토크)을 고려할 필요가 없다.
도 11 (A)에 도시한 그래프로부터 코어 중심간의 거리가 어느 정도 큰 경우, 각각의 코어에서 X 편파의 정규화 주파수와 Y 편파의 정규화 주파수가 상이한 값을 취하면, X 편파－Y 편파 사이에서 결합 계수(κ)의 차가 커지는 것을 알 수 있다. 통상의 편파 유지 광파이버에서는 X 편파와 Y 편파의 광학 특성은 양자를 구별 가능한 정도로 약간 상이하게 되어 있다.
예를 들면 D／a가 12이고 X 편파의 정규화 주파수(VX)가 1.6, Y 편파의 정규 화 주파수(VY)가 1.4일 때, X 편파의 결합 계수는 Y 편파의 결합 계수의 10배 정도의 값을 취한다.
이때, Y 편파에 대해 식 2 중의 κZ가 π／2가 되는 결합 길이(L)(융착 연신부의 길이)에 대해 Y 편파의 결합 계수 κY와 L의 곱은 다음과 같이 된다.
κY·L＝π／2
X 편파의 결합 계수 κX와 L의 곱은 다음과 같이 된다.
κX·L＝0.1×(π／2)
그리고, 도 14 (B)에 도시한 바와 같이 출력측의 포트(A)와 동일한 광파이버로 이루어지는 입력측의 포트에 X 편파와 Y 편파를 입력하면, Y 편파는 포트(B)에 100% 결합한다. 한편, 입력한 X 편파의 파워를 1로 했을 때의 포트(B)로부터 출력되는 X 편파의 파워의 비율은 다음과 나타낸 값이 된다.
PB＝sin2(κX·L)＝sin2(π／20)
＝0.024
따라서, X 편파의 98%가 포트(A)로부터 출력되고 Y 편파가 100% 포트(B)로부터 출력된다. 즉, 바로 PBS로서의 특성이 얻어진다.
본 발명에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 짧은 연신 길이로 결합도의 편파 의존성이 큰 편파 유지 광파이버 커플러를 얻을 수 있다. 이로 인해, PBS 를 제작하면 유효하다.
또, 연신 길이가 짧기 때문에 기계적 강도가 큰 편파 유지 광파이버 커플러가 얻어진다. 또, X 편파 또는 Y 편파가 한쪽 편파 유지 광파이버로부터 다른 쪽 편파 유지 광파이버에 결합하는 회수(이행 회수)를 적게 할 수 있기 때문에 손실이 적다.
또한, 넓은 파장 대역에서 결합도의 편파 의존성이 큰 편파 유지 광파이버 커플러가 얻어진다. 이로 인해, 예를 들면 다파장 광을 동시에 편파 분리 또는 편파 합성하는 광 회로의 제작에 유용한 PBS를 제공할 수 있다.
또, 직경(A)이 큰 편파 유지 광파이버를 사용함으로써 과잉 손실이 작은 편파 유지 광파이버 커플러를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 2개의 편파 유지 광파이버를 병렬시키고, 그 길이 방향의 일부를 가열하여 이 길이 방향으로 연신하여 융착 연신부를 형성하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법에 있어서,
    사용 파장에서 연신 길이에 따른 2개의 편파 결합도의 변화 주기가 모두 2주기 이내의 시점에서 연신을 종료하여 한쪽 편파 결합도가 10% 이하이고 다른 쪽 편파 결합도가 90% 이상인 편파 유지 광파이버 커플러를 제조하는 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    2개의 편파 유지 광파이버의 코어를 가능한 근접시키지 않도록 하여 융착 연신부를 형성함으로써 광 결합이 발생하는 시점으로부터 2개의 편파 결합도의 차를 크게 하는 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    한쪽 편파 결합도가 10% 이하이고 다른 쪽 편파 결합도가 90% 이상인 범위가 유지되는 파장 대역이 30nm 내지 58nm 인 편파 유지 광파이버 커플러를 제조하는 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    편파 유지 광파이버가 코어를 둘러싸는 클래드 내에 코어에 대해 대칭적으로 배치된 응력 부여부를 가지고, 코어의 동심원으로서 응력 부여부에 걸리지 않으며 또한 그 내부에 응력 부여부를 포함하지 않는 원 중, 최대 원의 직경이 20㎛ 내지 30 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 직경이 25∼30㎛인 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    편파 유지 광파이버의 복굴절률(複屈折率)이 5×10－5∼5×10－4인 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    편파 유지 광파이버의 크로스토크가 －20dB／km 내지 -10dB／km 인 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    편파 유지 광파이버의 손실이 1dB／km 내지 10dB／km 인 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    편파 유지 광파이버 커플러의 리드 파이버의 길이가 0.5m 내지 10m 인 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    편파 유지 광파이버가 PANDA형 편파 유지 광파이버인 것을 특징으로 하는 편파 유지 광파이버 커플러의 제조 방법.
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