KR101100082B1 - 열 광학 가변 광커플러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열 광학 가변 광커플러에 관한 것으로서, 제1코어와 제1클래드로 된 제1광섬유과, 제2코어와 제2클래드로 된 제2광섬유가 일부 상호 융합된 융합 커플링 영역을 갖게 형성되되 융합 커플링 영역은 제1클래드와 제2클래드가 상호 융합되는 공통 클래드 내에 제1코어와 제2코어로부터 각각 연장되되 인장에 의해 제1코어와 제2코어 보다 외경이 작게 형성된 제1 및 제2 테이퍼 코어를 갖는 커플링 본체와, 융합 커플링 영역 외측에 온도에 따라 굴절율이 가변되는 소재로 형성된 버퍼층과, 버퍼층 외측에서 버퍼층에 열을 인가할 수 있도록 된 히터를 구비한다. 이러한 본 발명에 따른 열 광학 가변 광커플러에 의하면, 히터에 의해 인가되는 열에 의해 출력광의 파장을 가변시킬 수 있다.
Figure R1020090090724
광커플러, 열광학, 히터

Description

열 광학 가변 광커플러{Thermo-optically tunable fused fiber coupler}
본 발명은 열광학 가변 광커플러에 관한 것으로서, 상세하게는 테이퍼 광섬유를 이용한 열광학 가변 광커플러에 관한 것이다.
광통신 시스템의 전송 용량은 파장분할 다중화(WDM;Wavelength Division Multiplexing) 방식의 도입으로 인해 급속하게 증가하는 추세에 있다.
파장분할 다중화 광통신방식에서는 상호 다른 파장을 가진 여러 개의 광원을 이용하여 각각의 파장에 서로 다른 정보를 실어서 전송하기 때문에 광파이버를 통해 전송되는 전송용량은 적용되는 파장의 수에 따라 선형적으로 비례하여 증가하게 된다.
이러한 파장분할 다중화 방식에서는 특정 파장의 광신호를 추출하기 위한 파장 가변 필터가 요구된다.
파장가변 필터는 다양한 구조가 알려져 있고, 그 중 열광학 가변필터는 단일모드 광섬유에 평면도파로를 결합한 구조로 형성되어 있다. 그런데, 단일 모드 광섬유와 평면도파로는 편광에 의존하는 특성이 있기 때문에 입력광의 편광 상태가 바뀌면 출력이 변동되는 문제점이 있다. 즉, 단일모드 광섬유 내에서 모드의 편광 상태는 구부림, 뒤틀림, 압력 등 여러 요인에 의하며 바뀔 수 있기 때문에 단일모드 광섬유에 평면도파로가 결합된 구조의 열광학 가변필터는 출력이 안정되지 않는 단점이 있다.
한편, 두개의 광섬유가 일부 영역에서 접합된 구조로 된 광커플러는 광의 분기 또는 결합을 위한 용도로 이용되고 있을 뿐, 파장가변 필터 기능은 제공되지 않고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 상세하게는 광커플러 구조를 이용하되 열광학 효과에 의해 출력광의 파장을 가변시킬 수 있는 열 광학 가변 광커플러를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열 광학 가변 광커플러 제1코어와 제1클래드로 된 제1광섬유과, 제2코어와 제2클래드로 된 제2광섬유가 일부 상호 융합된 융합 커플링 영역을 갖게 형성되되 상기 융합 커플링 영역은 상기 제1클래드와 상기 제2클래드가 상호 융합되는 공통 클래드 내에 상기 제1코어와 상기 제2코어로부터 각각 연장되되 인장에 의해 상기 제1코어와 상기 제2코어 보다 외경이 작게 형성된 제1 및 제2 테이퍼 코어를 갖는 커플링 본체와; 상기 융합 커플링 영역 외측에 온도에 따라 굴절율이 가변되는 소재로 형성된 버퍼층과; 상기 버퍼층 외측에서 상기 버퍼층에 열을 인가할 수 있도록 된 히터;를 구비하다.
바람직하게는 상기 버퍼층은 상기 공통클래드를 이루는 실리카의 굴절율을 기준으로 굴절율 차이가 0.01 이하인 소재로 형성된다.
또한, 상기 히터는 상기 버퍼층을 에워싸게 감겨 인가된 전력에 의해 발열하는 코일과; 상기 코일에 전력을 공급하는 전력공급부;를 구비한다.
더욱 바람직하게는 상기 전력공급부는 상기 코일에 인가되는 전력을 조정할 수 있도록 조정부를 구비한다.
본 발명에 따른 열 광학 가변 광커플러에 의하면, 히터에 의해 인가되는 열에 의해 출력광의 파장을 가변시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열 광학 가변 광커플러를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열 광학 가변 광커플러를 개략적으로 나타내 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 열 광학 가변 광커플러의 융합커플링 영역의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 열 광학 가변 광커플러(100)는 커플러 본체(110), 버퍼층(130) 및 히터를 구비한다.
커플러 본체(110)는 제1코어(111a)와 제1클래드(111b)로 된 제1광섬유(111)와, 제2코어(112a)와 제2클래드(112b)로 된 제2광섬유(112)가 중간부분에서 상호 융합된 융합 커플링 영역(115)을 갖으며, 융합 커플링 영역(115)을 기준으로 4개의 입출력 포트를 갖는 구조로 되어 있다.
이러한 커플러 본체(110)에서 융합커플링 영역은 제1클래드(111b)와 제2클래드(112b)가 상호 융합되게 형성된 공통 클래드(111d) 내에 제1코어(111a) 보다 작은 외경을 갖는 제1테이퍼 코어(111c)가 제1코어(111a)로부터 연장되게 형성되어 있고, 상기 제2코어(112a)보다 작은 외경을 갖는 제2테이퍼 코어(112c)가 제1테이퍼 코어(111c)와는 이격되면서 제2코어(112a)로부터 연장되게 형성된 구조로 되어 있다.
이러한 커플러 본체(110)는 두 개의 제1 및 제2광섬유(111)(112)를 상호 밀접시킨 상태에서 열을 가하고, 길이가 늘어나는 방향으로 인장시키면서 융합하여 형성하면 된다.
커플러 본체(110)에서 버퍼층(130)이 형성된 융합 커플링 영역(115)을 벗어난 제1 및 제2 클래드(111b)(112b) 외부에 통상적인 피복 구조로 피복처리될 수 있음은 물론이다.
버퍼층(130)은 융합 커플링 영역(115) 외측에 온도에 따라 굴절율이 가변되는 소재로 코팅형태로 형성되어 있다.
버퍼층(130)은 열에 의해 굴절율이 가변되는 폴리머 소재로 형성될 수 있다.
또한, 버퍼층(130)은 제1 및 제2광섬유(111)(112)의 제1, 제2 클래드(111b)(112b) 및 공통클래드(111d)를 이루고 있는 실리카 소재의 굴절율 차이가 0.01 이하인 소재 더욱 바람직하게는 동일한 굴절율을 갖는 폴리머 소재로 형성된다.
히터는 버퍼층(130) 외측에서 버퍼층에 열을 인가할 수 있도록 설치되어 있다.
도시된 예에서 히터는 버퍼층(130)을 에워싸게 감겨 인가된 전력에 의해 발열하는 코일(141)과, 코일(141)에 전력을 공급하는 전력공급부(143) 및 전력공급부에서 코일에 인가되는 전력을 조정할 수 있도록 된 조정부(145)로 되어 있다.
히터는 도시된 예와 다른 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 광커플러(100)의 특성을 살펴본다.
먼저, 1310nm 파장의 광과 1550nm파장의 광을 상호 분리 또는 결합시키는 WDM커플러로서, 참조부호 121로 표기된 입력 포트를 통해 1310/1550nm의 광을 송출하였을 때 참조부호 122로 표기된 제1출력포트로 1550nm의 광이 대부분 출력되고, 참조부호 123으로 표기된 커플링 포트로는 1310nm의 광이 대부분 출력되는 구조로 된 것에 대해 버퍼층이 형성되지 않는 경우 공통 클래드(115) 외부의 굴절율이 공기와 같이 낮으면 모드 결합이 강하게 유도된다. 또한, 융합된 광커플러 구조에서 최대 전송 파장 또는 최소 전송파장과 커플링 계수의 곱은 일정하게 유지되기 때문에 공통 글래드(115) 외부의 굴절율이 증가하면 커플링되는 피크 전송파장은 장파장 영역으로 이동된다.
따라서, 본 광커플러(100)에서 적용되는 버퍼층(130)의 온도를 히터에 의해 가변시켜 외부 굴절율을 조정하면 커플링에 의해 출력되는 광의 파장을 조정할 수 있다.
< 실험 및 분석 >
실험을 위해 클래드 직경 125㎛, 코어 직경 8.2㎛이고 상대 굴절율 차이가 3.4%인 표준 단일모드 광섬유(SMF 28)를 사용하였다. 두 개의 단일모드 광섬유에 대해 상호 꼬이도록 한 상태에서 토치를 이용하여 통상의 열융합 및 인장방법에 의해 2×2 WDM광커플러를 제작하였다.
또한, 제1출력포트(122)를 통해서는 최대 전송파장이 1550nm, 커플링포트(123)를 통해서는 최대 전송파장이 1310nm가 되게 각각 조정하였다. 융합 커플링 영역(115)의 외경은 약 30㎛정도 였다.
제작된 커플러(100)는 'U'자형 수용홈을 갖는 수정 로드(160)에 장착하였다.
버퍼층(130) 코팅에 앞서 굴절율이 상호 다른 용액을 수정 로드(160)의 수용홈에 충진하고, 커플링 포트(123)를 통해 출력되는 광의 전송 스펙트럼을 측정한 결과가 도 3에 도시되어 있다. 여기에서 적용된 충진용액은 물과 글리세린을 상호 혼합한 용액으로, 글리세린의 농도가 20중량%, 40중량%, 60중량%, 80중량%, 85중량%, 90중량%, 95중량%, 100%로 된 것을 적용하였고, 각 용액에 대해 상온에서 측정된 굴절율은 1.344, 1.371, 1.398, 1.427, 1.434, 1.441, 1.448, 1.456 이였다.
도 3를 참조하면, 최소 전송파장은 충진용액의 굴절율이 증가할 수록 장파장쪽으로 이동됨을 알 수 있다. 그런데, 충진용액의 굴절율이 클래드의 굴절율 보다 높으면 높은 전송 손실이 발생된다. 여기서 광섬유의 클래딩의 굴절율은 1.444 이다.
한편, 충진 용액의 굴절율 변화에 따른 제1출력포트(throughput port)(122)와, 커플링 포트(cross-coupled port)(123)의 최소 전송 파장이 도 3에 도시되어 있다. 이러한 결과는 제1출력포트(122)의 조정 범위가 커플링 포트(123)의 조정범위의 1/2 보다 작음을 의미한다. 한편, 전송 스펙트럼은 충진용액의 굴절율이 클래드의 굴절율과 비슷할 때 매우 민감하게 변화됨을 알 수 있다.
따라서, 융합커플링 영역(115)에 코팅되는 버퍼층(130)은 넓은 대역에 대해 조정할 수 있도록 클래드의 굴절율과 유사하면서도 열광학 효과가 큰 물질이 적용되는 것이 적용되면 된다.
한편, 이러한 실험을 기초로 상온에서 1550nm파장에 대한 굴절율이 1.45이고, 열광학 계수가 -1.8×10-4/℃인 액상의 폴리머(ZPU-145m Comoptics)를 수정로드(160)의 수용홈 내에 충진하고 질소 분위기 하에서 자외선으로 경화시켜 버퍼층(130)을 형성하였다. 또한, 버퍼층 형성 전과 후에 대해 각각 22℃, 70℃, 100℃로 각각 온도가 유지되는 플레이트를 접촉시켜 전송 스펙트럼을 측정한 결과가 도 5에 도시되어 있다. 도 5을 통해 알 수 있는 바와 같이 버퍼층이 형성되지 않고 공통 클래드가 공기에 노출된 구조에서는 온도 변화에 대해 전송 스펙트럼의 변화가 거의 없는 반면, 버퍼층(130)이 형성된 구조에서는 온도 변화에 따라 전송스펙트럼이 크게 변화됨을 보여준다. 즉, 버퍼층(130)이 형성된 구조에서는 온도 가 올라가면 최소 커플링 파장이 단파장 영역으로 이동된다.
또한, 상온(22℃)에서 버퍼층(130)이 형성된 커플러(100)는 높은 전송 손실을 나타내는데, 이는 버퍼층(130)의 굴절율이 클래드의 굴절율 보다 약간 높아졌기 때문이다.
이러한 도 5의 결과는 커플러 본체(110)가 외부 온도 변화에 의해서만은 커플링 조정 특성을 갖지 않으며, 버퍼층(130)이 있는 경우에만 외부 온도 변화에 의해서 커플링 조정 특성을 제공할 수 있음을 확인 할 수 있다.
한편, 버퍼층(130)이 형성된 커플러(100)에 Ni-Cr와이어를 수정 로드(160) 외측에서 감아 코일로 인가되는 전력을 가변시키면서 측정한 전송 스펙트럼이 도 6에 도시되어 있다. 도 6을 통해 알 수 있는 바와같이, 폴리머로 형성된 버퍼층(130)의 열광학 효과에 의해 코일(141)로 인가되는 전력이 증가할 수록 최소 파장이 단 파장쪽으로 이동됨을 보여준다.
이상의 결과를 통해 본 광커플러는 가변 필터, 가변 광감쇠기, 가변 커플러 등으로 이용될 수 있음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열 광학 가변 광커플러를 개략적으로 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 열 광학 가변 광커플러의 융합커플링 영역의 단면도이다.
도 3은 도 1의 융합커플링 영역 외측에 버퍼층으로서 상호 다른 굴절율을 갖는 물질에 의한 전송 스펙트럼을 나타내보인 그래프이고,
도 4는 버퍼층으로 적용되는 물질의 굴절율에 다른 최소 전송파장을 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 버퍼층 형성전과 후에 대해 상호 다른 온도에서의 전송 스펙트럼을 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 히터를 통해 인가되는 파워에 따라 변화되는 전송 스펙트럼을 나타내 보인 그래프이다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1코어와 제1클래드로 된 제1광섬유과, 제2코어와 제2클래드로 된 제2광섬유가 일부 상호 융합된 융합 커플링 영역을 갖게 형성되되 상기 융합 커플링 영역은 상기 제1클래드와 상기 제2클래드가 상호 융합되는 공통 클래드 내에 상기 제1코어와 상기 제2코어로부터 각각 연장되되 인장에 의해 상기 제1코어와 상기 제2코어 보다 외경이 작게 형성된 제1 및 제2 테이퍼 코어를 갖는 커플링 본체와;
    상기 융합 커플링 영역 외측에 온도에 따라 굴절율이 가변되는 소재로 형성된 버퍼층과;
    상기 버퍼층 외측에서 상기 버퍼층에 열을 인가할 수 있도록 된 히터;를 구비하고,
    상기 버퍼층은 상기 공통클래드를 이루는 실리카의 굴절율을 기준으로 굴절율 차이가 0.01 이하이며 열광학 계수가 -1.8×10-4/℃인 액상의 폴리머 소재를 경화시켜 형성되고,
    상기 히터는 상기 버퍼층을 에워싸게 감겨 인가된 전력에 의해 발열하는 코일과;
    상기 코일에 전력을 공급하는 전력공급부;를 구비하고,
    상기 전력공급부는 상기 코일에 인가되는 전력을 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 열 광학 가변 광커플러.
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