KR101094671B1 - 광섬유 타원율 측정 장치 및 방법 - Google Patents

광섬유 타원율 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

광섬유 타원율 측정 장치는, 테스트 광섬유에 음파를 인가하는 음파 발생부; 및 상기 테스트 광섬유 내를 미리 설정된 길이만큼 진행한 음파의 위상 분산을 이용하여 상기 테스트 광섬유 외주부의 타원율을 측정하는 측정부를 포함할 수 있다. 광섬유 타원율 측정 방법은, 음파를 발생시켜 테스트 광섬유에 인가하는 단계; 상기 테스트 광섬유 내에서 미리 설정된 길이만큼 음파를 진행시키는 단계; 상기 테스트 광섬유 내를 진행하는 음파의 위상 분산을 측정하는 단계; 및 측정된 위상 분산으로부터 상기 테스트 광섬유의 타원율을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
광섬유, 타원율, 구부림 음파, 광섬유 간섭계

Description

광섬유 타원율 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring ellipticity of optical fibers}
실시예들은 광섬유 타원율 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
외주부가 비원형(예컨대, 타원형)인 광섬유는 클래딩(cladding) 정렬 방식의 광섬유 접합에서 광섬유 손실을 유발할 수 있다. 또한 광섬유 외주부의 타원율은 모드 결합, 클래딩 진행 및 펌핑 등을 이용하는 광섬유 소자, 센서 및 광원의 성능에 영향을 줄 수 있다. 광섬유 외주부의 타원율을 측정하기 위한 방법으로는, 산란(scattering) 및 회절(diffraction) 무늬를 이용하는 방법과 굴절된 근접장(refracted near field)을 이용하는 방법이 있다.
산란 및 회절 무늬를 이용하는 방법은, 영(Young)의 이중 슬릿 간섭계를 이용하여, 광섬유의 측면으로부터 입사되어 광섬유의 후방으로 산란되는 빛의 패턴 변화를 분석하는 방법이다. 산란 및 회절 무늬를 이용하여 약 0.997의 타원율(타원의 단축 반지름을 장축 반지름으로 나눈 값)까지 측정할 수 있다. 한편 굴절된 근접장을 이용하는 방법의 경우에는 약 0.999의 타원율을 오차 약 10% 범위 내에서 측정할 수 있다.
그러나 이러한 방법들은 광학적인 방법으로 타원율을 측정하는 것이므로, 빛의 회절 한계 이상의 분해능으로 타원율을 측정하는 것은 불가능하다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은, 광섬유를 따라 진행하는 구부림 음파(flexural acoustic wave)를 이용하여 비 파괴 방식으로 광섬유의 타원율을 측정할 수 있는 광섬유 타원율 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 광섬유 타원율 측정 장치는, 테스트 광섬유에 음파를 인가하는 음파 발생부; 및 상기 테스트 광섬유 내를 미리 설정된 길이만큼 진행한 음파의 위상 분산을 이용하여 상기 테스트 광섬유 외주부의 타원율을 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 광섬유 타원율 측정 방법은, 음파를 발생시켜 테스트 광섬유에 인가하는 단계; 상기 테스트 광섬유 내에서 미리 설정된 길이만큼 음파를 진행시키는 단계; 상기 테스트 광섬유 내를 진행하는 음파의 위상 분산을 측정하는 단계; 및 측정된 위상 분산으로부터 상기 테스트 광섬유의 타원율을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 광섬유 타원율 측정 장치 및 방법을 이용하면, 빛의 회절 한계 이상의 분해능으로 광섬유의 타원율을 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 상기 광섬유 타원율 측정 장치 및 방법은 일반 광섬유, 광자결정 광섬유, 및 실리카로 구성된 원통 형상의 막대 등의 타원율을 측정하는데 이용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광섬유 타원율 측정 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 광섬유 타원율 측정 장치는 음파 발생부(10) 및 측정부(30)를 포함할 수 있다. 음파 발생부(10)가 테스트 광섬유(20)에 음파를 인가하고, 테스트 광섬유(20) 내를 진행한 음파의 위상 분산을 측정부(30)에 의해 측정함으로써 테스트 광섬유(20)의 타원율을 측정할 수 있다.
음파 발생부(10)는 압전 소자(11) 및 유리 혼(glass horn)(12)을 포함할 수 있으며, 테스트 광섬유(20)는 압전 소자(11) 및 유리 혼(12)을 관통하는 형태로 위치할 수 있다. 일 실시예에서 테스트 광섬유(20)는 원뿔 형상의 유리 혼(12)의 가운데를 통과하도록 위치할 수도 있다.
압전 소자(11)는 납-지르코늄-티타늄 복합 산화물(PZT)과 같은 압전 물질로 이루어지며, 인가된 전기 신호를 기계적인 진동으로 변환함으로써 음파를 발생시킬 수 있다. 이를 위하여 음파 발생부(10)는 압전 소자(11)에 전기 신호를 인가하는 신호 발생기(13)를 더 포함할 수도 있다. 압전 소자(11)의 진동은 유리 혼(12)을 진동하게 하며, 유리 혼(12)의 진동은 테스트 광섬유(20)에 전달되어 테스트 광섬유(20)에 음파가 인가될 수 있다. 일 실시예에서, 테스트 광섬유(20)에 인가되는 음파의 주파수는 약 1 kHz 내지 약 10 MHz일 수도 있다.
테스트 광섬유(20)에 진동 에너지, 즉 음파가 인가되면 음파가 테스트 광섬유(20)를 따라 진행될 수 있다. 본 명세서에서 테스트 광섬유(20)는 서로 상이한 물질로 이루어지는 코어(core) 및 클래딩(cladding)을 포함하여 구성된 광섬유일 수 있다. 예를 들어, 테스트 광섬유(20)는 광자결정 광섬유(photonic crystal optical fiber)일 수도 있다. 또한, 테스트 광섬유(20)는 하나의 물질로 이루어지는 원통 형상의 구조물일 수도 있다. 예를 들어, 테스트 광섬유(20)는 용융 실리카(fused silica)로 이루어지는 원통형 막대일 수도 있다. 테스트 광섬유(20)는 단면이 약 1 mm 이하의 평균 지름을 갖는 원통 형상일 수도 있다.
측정부(30)는 음파 발생부(10)로부터 진행된 음파가 일정 거리만큼 테스트 광섬유(20) 내를 진행한 후, 테스트 광섬유(20) 내의 음파의 위상 분산을 이용하여 테스트 광섬유(20)의 타원율을 측정할 수 있다. 테스트 광섬유(20) 내를 진행하는 구부림 음파(flexural acoustic wave)에 대한 음파 방정식을 풀면 음파의 분산 관계를 산출할 수 있다. 테스트 광섬유(20)에 인가된 음파의 파장이 테스트 광섬유(20)의 외주부의 지름(이하, "외경"이라고 한다) 이상인 저주파수 영역에서, 음파의 분산 관계는 하기 수학식 1에 의하여 표현될 수 있다.
Figure 112009041824338-pat00001
상기 수학식 1에서, D는 테스트 광섬유(20)의 외경을 의미하며, f는 테스트 광섬유(20)에 인가된 음파의 주파수를 의미하고, Λ는 테스트 광섬유(20) 내를 진행하는 음파의 파장을 의미한다.
테스트 광섬유(20)의 외경(D) 및 음파의 주파수(f)에 기초하여, 상기 수학식 1에 의해 테스트 광섬유(20) 내의 음파의 파장(Λ)이 결정될 수 있다. 한편 음파의 위상 속도는 음파의 주파수(f)와 파장(Λ)의 곱에 대응되므로, 테스트 광섬유(20)의 외경(D)이 상이하게 되면 테스트 광섬유(20) 내를 진행하는 음파의 파장(Λ)이 상이하게 되고, 결과적으로 음파의 위상 속도가 상이하게 된다.
테스트 광섬유(20)의 단면이 타원 형상일 경우, 테스트 광섬유(20)의 외경은 방향에 따라 상이한 값을 가질 수 있다. 즉, 테스트 광섬유(20)에서 장축(예컨대, y축) 방향의 외경이 단축(예컨대, x축) 방향의 외경에 비하여 큰 값을 가질 수 있다. 테스트 광섬유(20) 내를 진행하는 음파의 위상 속도는 외경에 따라 결정되므로, 타원 형상의 단면을 갖는 테스트 광섬유(20) 내를 진행하는 음파는 위상이 상이한 복수 개의 음파로 분할될 수 있다.
예를 들어, 타원 형상의 단면을 갖는 테스트 광섬유(20) 내를 거리 l만큼 진행한 음파는 제1 음파 및 제2 음파로 분할될 수 있으며, 이때 제1 음파 및 제2 음파의 위상차 △φ는 하기 수학식 2에 의하여 결정될 수 있다.
Figure 112009041824338-pat00002
상기 수학식 2에서 ε은 테스트 광섬유(20)의 타원율에 대응되는 값으로서, 테스트 광섬유(20)의 단면의 장축(예컨대, y축) 방향의 지름을 b, 단축(예컨대, x축) 방향의 지름을 a라 할 경우, ε은 b와 a의 차이를 b와 a의 평균값으로 나눈 값으로 정의될 수 있다.
상기 수학식 2에서 정의된 α는 테스트 광섬유(20)에 인가된 음파의 파장 및 테스트 광섬유(20)의 외경의 크기에 의존하는 값이다. 도 2는 상기 수학식 2에서 정의된 α의 값을 테스트 광섬유(20)의 외경 및 테스트 광섬유(20)에 인가된 음파의 주파수에 따라 도시한 그래프이다. 도 2의 그래프들(201, 202, 203, 204, 205)은 테스트 광섬유(20)에 인가된 음파의 주파수가 각각 1 MHz, 2 MHz, 3 MHz, 4 MHz 및 5 MHz 인 때의 α의 값을 테스트 광섬유(20)의 외경에 따라 나타낸다.
다시 도 1을 참조하면, 측정부(30)는 테스트 광섬유(20) 내를 진행하는 제1 음파 및 제2 음파의 위상차를 측정함으로써, 상기 수학식 2에 기초하여 테스트 광섬유(20)의 타원율을 측정할 수 있다. 측정부(30)는 광원(31), 제1 광섬유(32), 광 커플러(33), 제2 광섬유(34) 및 검출기(35)를 포함할 수 있다.
광원(31)은 소정의 파장의 빛을 인가하기 위한 장치일 수 있다. 광원(31)은 레이저와 같은 결맞음(coherent) 빛을 인가하기 위한 장치일 수도 있다. 예컨대, 광원(31)은 약 1550 nm의 파장의 레이저를 인가하는 분산 궤환형(Distributed Feedback; DFB) 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)일 수도 있다. 광원(31)은, 테스트(20) 광섬유 내의 음파를 측정하기 위한 센싱 광섬유인 제1 광섬유(32)에 빛을 인가할 수 있다. 광원(31)으로부터 인가된 빛은 제1 광섬유(32)를 제1 광섬유(32)의 반대편 끝까지 진행할 수 있다.
광원(31)의 빛은 제1 광섬유(32)의 끝에서 반사되어 되돌아올 수 있으며, 또는 제1 광섬유(32)로부터 출사되어 테스트 광섬유(20)의 측면으로부터 반사된 후 다시 제1 광섬유(32)에 입사되어 되돌아올 수도 있다. 광 커플러(33)는 반사되어 되돌아오는 빛들의 일부를 제2 광섬유(34)로 분할할 수 있다. 예컨대, 광 커플러(33)는 3 dB 광 커플러일 수도 있다.
광 커플러(33)에 의하여 분할된 빛은 검출기(35)에 의하여 검출될 수 있다. 일 실시예에서, 검출기(35)는 광 검출기(photo detector) 및 오실로스코프(oscilloscope)를 포함할 수도 있다. 제1 광섬유(32)의 끝에서 반사된 빛과 테스트 광섬유(20)의 측면으로부터 반사된 빛은 서로 간섭을 일으켜, 테스트 광섬유(20) 내를 진행하는 음파의 굴곡에 따른 변조 신호(예컨대, 사인 파형의 신호)를 생성할 수 있다. 검출기(35)는 상기 변조 신호를 테스트 광섬유(20)의 장축 및 단축 방향에 대하여 측정함으로써 전술한 제1 음파 및 제2 음파를 측정할 수 있으며, 전술한 수학식 2에 의해 제1 음파 및 제2 음파의 위상차를 통하여 테스트 광섬유(20)의 타원율을 측정할 수 있다.
측정부(30)는 제2 광섬유(34)와 광학적으로 연결된 광 스트리퍼(light stripper)(36)를 더 포함할 수도 있다. 제2 광섬유(34)의 끝에서 반사되어 되돌아오는 빛이 검출기(35)에 검출되면 출력값에 영향을 미치기 때문에, 광 스트리퍼(36)를 사용하여 되돌아오는 빛을 제거할 수 있다. 광 스트리퍼(36)는 광손실을 주기 위하여 광섬유를 상대적으로 작은 반경으로 감은 구조로 되어 있을 수도 있다.
도 1을 참조하여 전술한 실시예에 따른 측정부(30)의 구성은 예시적인 것으로서, 측정부(30)는 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer), 마흐젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer), 또는 다른 적당한 광섬유 간섭계를 포함하여 구성될 수 있다.
광섬유 타원율 측정 장치는 테스트 광섬유(20)를 회전시키기 위한 회전기(40)를 더 포함할 수도 있다. 회전기(40)에 의하여 테스트 광섬유(20)를 일정 각도만큼 단계적으로 회전시키면서, 측정부(30)를 사용하여 테스트 광섬유(20) 내를 진행하는 음파의 위상의 시간 변화를 측정할 수 있다. 이때 음파 위상의 차이가 최대값을 갖는 2개의 신호가 각각 전술한 제1 음파 및 제2 음파에 해당한다.
도 3은 일 실시예에 따른 광섬유 타원율 측정 장치를 이용하여 광섬유의 타원율을 측정한 경우 측정부의 출력 신호 크기를 도시한 그래프이다. 도 3의 그래프는 단면이 약 125 μm의 평균 지름을 갖는 광자결정 광섬유의 타원율을 측정하기 위하여, 약 3.3 MHz의 주파수를 갖는 음파를 광섬유 내에서 약 2.71 cm만큼 진행시킨 후 측정된 제1 음파(300) 및 제2 음파(350)를 나타낸다. 도시되는 것과 같이 제1 음파(300) 및 제2 음파(350)의 위상의 시간 차이는 약 0.0286 μs이며, 이를 이용하여 산출되는 광섬유의 타원율은 약 0.00435±0.00022 이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 광섬유 타원율 측정 장치를 이용하여 광섬유의 타원율을 측정한 경우 측정부의 출력 신호 크기를 도시한 그래프이다. 도 4의 그래프는 단면이 약 125 μm의 평균 지름을 갖는 표준 단일모드 광섬유의 타원율을 측정하기 위하여, 약 2 MHz의 주파수를 갖는 음파를 광섬유 내에서 약 17.1 cm만큼 진행시킨 후 측정된 제1 음파(400) 및 제2 음파(450)를 나타낸다. 도시되는 것과 같이, 제1 음파(400) 및 제2 음파(450)의 위상의 시간 차이는 약 0.047 μs이며, 이를 이용하여 산출된 광섬유의 타원율은 약 0.00086±0.00002 이다. 측정 오차를 약 6%로 가정하여 고려하더라도 약 0.00086±0.00006의 타원율을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 광섬유 타원율 측정 장치 및 방법을 이용하면, 빛의 회절 한계 이상의 분해능으로 광섬유 외주부의 타원율을 정밀하게 측정할 수 있다. 예컨대, 단면의 타원율(즉, 단축지름/장축지름)이 약 0.96 이상인 광섬유도 정밀하게 타원율을 측정할 수 있다. 또한 상기 광섬유 타원율 측정 장치 및 방법은 일반 광섬유, 광자결정 광섬유, 및 실리카로 구성된 원통 형상의 막대 등의 타원율을 측정하는데 이용될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 광섬유 타원율 측정 장치의 개략도이다.
도 2는 광섬유 외주부의 지름 및 광섬유 내를 진행하는 음파의 주파수에 대한 음파 위상 분산의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광섬유 타원율 측정 장치를 이용하여 측정된 출력 신호 파형을 도시한 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 광섬유 타원율 측정 장치를 이용하여 측정된 출력 신호 파형을 도시한 그래프이다.

Claims (11)

  1. 타원 형상의 단면을 갖는 테스트 광섬유에 음파를 인가하는 음파 발생부; 및
    상기 테스트 광섬유에 인가된 음파가 상기 테스트 광섬유 내를 미리 설정된 길이만큼 진행한 후, 상기 테스트 광섬유의 단면의 장축 방향 및 단축 방향 각각을 따라 진행하는 제1 음파 및 제2 음파를 측정하며, 상기 제1 음파와 상기 제2 음파의 위상 차이를 이용하여 상기 테스트 광섬유 외주부의 타원율을 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 음파 발생부는 1 kHz 이상 10 MHz 이하의 주파수를 갖는 음파를 상기 테스트 광섬유에 인가하는 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 테스트 광섬유에 인접하여 위치하는 제1 광섬유;
    상기 제1 광섬유에 빛을 인가하는 광원;
    상기 제1 광섬유 내를 진행하여 상기 제1 광섬유의 끝에서 반사된 빛과 상기 테스트 광섬유로부터 반사된 빛의 간섭에 의하여 생성된 변조 신호를 검출하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 측정부는,
    한쪽 끝이 상기 검출기와 광학적으로 연결되는 제2 광섬유;
    상기 제1 광섬유 내를 진행하는 빛의 일부를 상기 제2 광섬유에 인가하는 광 커플러; 및
    상기 제2 광섬유의 다른 쪽 끝에 광학적으로 연결되는 광 스트리퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 테스트 광섬유의 길이 방향을 회전축으로 상기 테스트 광섬유를 회전시 키는 회전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 장치.
  7. 음파를 발생시켜 타원 형상의 단면을 갖는 테스트 광섬유에 인가하는 단계;
    상기 테스트 광섬유 내에서 미리 설정된 길이만큼 음파를 진행시키는 단계;
    상기 테스트 광섬유의 단면의 장축 방향 및 단축 방향 각각을 따라 진행하는 제1 음파 및 제2 음파를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 음파와 상기 제2 음파의 위상 차이를 이용하여 상기 테스트 광섬유의 타원율을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 테스트 광섬유에 인가되는 음파의 주파수는 1 kHz 이상 10 MHz 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 음파 및 제2 음파를 측정하는 단계는,
    상기 테스트 광섬유에 인접하여 위치하는 센싱 광섬유를 통하여 빛을 조사하는 단계; 및
    상기 센싱 광섬유로부터 출사되어 상기 테스트 광섬유로부터 반사된 빛과, 상기 센싱 광섬유의 끝으로부터 반사된 빛의 간섭에 의해 생성되는 변조 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 음파 및 제2 음파를 측정하는 단계는, 상기 테스트 광섬유의 길이 방향을 회전축으로 상기 테스트 광섬유를 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 타원율 측정 방법.
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