KR101232659B1 - 광 결합 장치, 광 결합 장치의 제조 방법, 및 광 증폭기 - Google Patents

광 결합 장치, 광 결합 장치의 제조 방법, 및 광 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 결합 장치를 제공한다. 이 광 결합 장치는 중앙에 관통 홀을 가지고 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 중공 광학 커플러, 관통 홀에 삽입되어 중공 광학 커플러와 융착되는 제1 광섬유, 및 중공 광학 커플러의 직선부의 일단에 결합하는 제2 광섬유를 포함한다. 제2 광섬유의 일단은 상기 중공 광학 커플러의 직선부의 일단에 접촉하고, 중공 광학 커플러는 제2 광섬유의 타단을 통하여 공급된 출력광을 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)한다.
Figure R1020090054383
다중모드 광섬유, 이중 클래드 광섬유, 중공 광섬유, 고출력 광섬유 레이저, 희토류, 펌프 광 결합기, 단일모드 광섬유, 광섬유 다발

Description

광 결합 장치, 광 결합 장치의 제조 방법, 및 광 증폭기{OPTICAL COMBINER, FORMING METHOD OF THE SAME, AND OPTICAL AMPLIFIER}
본 발명은 중공 광섬유 (hollow fiber)를 이용하여 펌프 광원에서 나오는 광을 제1 광섬유에 효율적으로 연결해 주는 광 결합 장치에 관한 것이다.
통상적인 광섬유 레이저는 코어 펌핑에 의하여 레이저를 구성한다. 코어 펌핑의 경우, 반도체 레이저 기반의 펌프 광이 코어에 입사되는 양은 제한되어, 상기 코어에서 나오는 레이저의 파워는 제한된다.
현재 고출력 광섬유 레이저는 이중 클래드 구조의 광섬유를 이용하여 제작 된다. 이중 클래드 구조는 코어, 제1 클래드, 제2 클래드을 포함한다. 코어는 레이징을 수행하는 희토류 이온이 첨가되어 있다. 이중 클래드 광섬유 레이저는 펌프 광원을 광섬유의 제1 클래드을 통해 입사시킨다. 제1 클래드의 면적은 코어의 면적에 비해 100배 정도 크고, 제1 클래팅은 제2 클래드과의 굴절률 차가 크다.
따라서, 이중 클래드 광섬유는 낮은 빔 질(beam quality)을 갖고 높은 파워를 가지는 다중 모드 반도체 기반의 레이저(펌프광)가 1차 클래드에 효율적으로 입사되는 것을 가능하게 한다. 이에 따라, 제1 클래드를 따라 진행하는 펌프광은 코 어에서 희토류 이온에 의해 흡수되고, 흡수된 에너지는 광섬유 내부 또는 외부의 미러(mirror)를 통해 새로운 파장의 좋은 빔질(beam quality)을 갖는 광섬유 레이저로 출력된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 입력 광섬유를 중공 광학 커플러를 이용하여 출력 광섬유에 효율적으로 연결해 주는 광 결합 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 입력 광섬유를 중공 광학 커플러를 이용하여 출력 광섬유에 효율적으로 연결해 주는 광 결합 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 입력 광섬유를 중공 광학 커플러를 이용하여 출력 광섬유에 효율적으로 연결해 주는 광 증폭기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치는 중앙에 관통 홀을 가지고 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 중공 광학 커플러, 상기 관통 홀에 삽입되어 상기 중공 광학 커플러와 융착되는 제1 광섬유, 및 상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 일단에 결합하는 제2 광섬유를 포함한다. 상기 제2 광섬유의 일단은 상기 중공 광 학 커플러의 상기 직선부의 일단에 접촉하고, 상기 중공 광학 커플러는 상기 제2 광섬유의 타단을 통하여 공급된 출력광을 상기 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광섬유의 타단에 연결된 광원을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 일단 및 외면에 배치되어 상기 제2 광섬유들을 상기 중공 광학 커플러에 고정 결합시키는 클램프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광섬유는 코어 클래드로 구성된 다중 모드 광섬유 또는 이중 클래드 광섬유일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광섬유는 단일 모드 광섬유 또는 다중 모드 광섬유일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광섬유는 코어, 제1 클래드, 및 제2 클래드을 포함하는 이중 클래드 광섬유이며, 상기 코어에 희토류 원소가 첨가될 수 있고, 상기 출력광을 흡수한 희토류 원소는 코어를 따라 새로운 파장의 광을 증폭 자발 방출(Amplified spontaneous emission: ASE)할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 직선부는 균일한 외경을 갖는 실린더 형태이고, 상기 테이퍼부는 절두된 원뿔(truncated cone) 형태의 외경을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 증폭기는 중앙에 관통 홀을 가지고 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 제1 중공 광학 커플러, 상기 관통 홀에 삽입되어 상기 제1 중공 광학 커플러와 융착되는 제1 광섬유, 상기 제1 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 일단에 결합하는 제2 광섬유, 상기 제1 광섬유의 일단에 배치된 신호원, 및 상기 제2 광섬유의 타단에 연결된 제1 광원을 포함한다. 상기 제2 광섬유의 일단은 상기 제1 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 일단에 접촉하고, 상기 제1 중공 광학 커플러는 상기 제2 광섬유의 타단을 통하여 공급된 상기 제1 광원의 출력광을 상기 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)하고, 상기 제1 광섬유는 상기 신호원의 광을 증폭 발진시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광섬유는 희토류 원소로 도핑된 코어를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 중앙에 관통홀을 가지고 직선부와 테이퍼부를 포함하고 상기 제1 중공 광학 커플러와 이격되어, 상기 관통홀에 상기 제1 광섬유가 융착되는 제2 중공 광학 커플러, 상기 제2 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 일단에 결합하는 복수의 제3 광섬유들, 및 상기 제3 광섬유들의 타단에 연결된 제2 광원을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 신호원과 상기 제1 광섬유의 일단 사이에 배치된 아이솔레이터(isolator)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광섬유의 타단에 배치된 아이솔레이터(isolator)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치의 제조 방법은 중앙에 관통 홀을 포함하는 중공 광섬유를 제공하는 단계, 상기 중공 광섬유를 처리하여 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 중공 광학 커플러를 형성하는 단계, 상기 중공 광학 커플러의 상기 관통 홀에 출력 제1 광섬유를 삽입하고 융착시키는 단계, 및 상기 중공 광섬유의 직선부의 일단에 복수의 제2 광섬유를 결합시키는 단계를 포함한다. 상기 중공 광학 커플러는 상기 제2 광섬유를 통하여 공급된 출력광을 상기 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 중공 광섬유의 직선부의 일단에 복수의 제2 광섬유를 결합시키는 단계는 상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 일단 및 외면에 배치되어 상기 제2 광섬유들을 상기 중공 광학 커플러에 고정 결합시키는 클램프에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 중공 광섬유의 직선부의 일단에 복수의 제2 광섬유를 결합시키는 단계는 상기 중공 광학 커플러의 일단의 상기 제1 광섬유의 둘레에 배치된 상기 제2 광섬유들과 상기 중공 광학 커플러의 일단을 융착시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 결합 장치는 복수의 제2 광섬유의 광을 중공 광학 커플러를 이용하여 제1 광섬유에 효율적으로 전달할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치는 제1 광섬유의 옆면(side)를 통해 펌프 광을 겹합 (coupling) 시키는 구조이기 때문에 다른 파장의 광 또는 레이저가 펌프 광이 연결된 제 2 광섬유 방향으로 역인입하는 확률이 적어 펌프 광원의 수명이 길어지는 장 점이 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치(100)를 설명하는 도면들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 광 결합 장치(100)는 일정한 지름의 관통 홀(116)을 가지고 직선부(112) 및 테이퍼부(114)를 포함하는 중공 광학 커플러(110), 상기 관통 홀(116)에 삽입되어 상기 중공 광학 커플러(110)와 융착되는 제1 광섬유(120), 상기 중공 광학 커플러(110)의 상기 직선부(112)의 일단에 결합하는 복수의 제2 광섬유들(130), 및 상기 제2 광섬유들(130)의 일단에 연결된 펌프 광원(140)을 포함한다. 상기 중공 광학 커플러(hollow optical coupler,110)는 상기 제2 광섬유(130)를 통하여 공급된 상기 펌프 광원(140)의 출력광을 상기 제1 광섬유(120)에 사이드 결합(side coupling)할 수 있다.
상기 중공 광학 커플러(110)는 실리카 튜브 또는 중공 광섬유를 절단하여 형성할 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)의 내경은 일정할 수 있다. 상기 직선부(112)와 상기 테이퍼부(114)는 서로 연속적으로 배열될 수 있다. 상기 직선부(112)의 외경은 일정할 수 있다. 상기 테이퍼부(114)의 외경이 점차적으로 감소할 수 있다. 상기 테이퍼부(114)의 길이는 상기 직선부(112)의 길이보다 길 수 있다. 상기 관통 홀(116)의 단면은 원형일 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)의 외주면은 원형일 수 있다. 상기 테이퍼부(114)의 일단의 지름은 실질적으로 상기 제1 광섬유의 외경과 같을 수 있다. 상기 직선부(112)는 균일한 외경을 갖는 실린더 형태일 수 있다. 상기 테이퍼부(114)는 절두된 원뿔(truncated cone) 형태의 외경을 가질 수 있다.
상기 제1 광섬유(120)는 상기 관통 홀(116)에 삽입될 수 있다. 상기 제1 광섬유(120)는 코어/클래드(core/clad)로 구성된 다중 모드 광섬유(multi-mdoe optical fiber) 또는 이중 클래드 광섬유(double clad optical fiber)일 수 있다. 상기 제1 광섬유(120)는 코어(122), 제1 클래드(124), 및 제2 클래드(126)을 포함하는 이중 클래드 광섬유일 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)의 상기 관통 홀(116)에 제1 광섬유(120)를 삽입 시 상기 제 1 광섬유의 제2 클래드 (polymer)는 일부분 제거될 수 있다. 상기 코어(122)에 희토류 원소가 첨가되어 상기 펌프 광원(140)의 입력광에 의하여 희토류 원소는 증폭 자발 방출(Amplified spontaneous emission:ASE)될 수 있다. 상기 제1 광섬유(120)와 상기 중공 광학 커플러(110)는 서로 융착될 수 있다.
고출력 광섬유 레이저 또는 광 증폭기에 사용되는 상기 이중 클래드 광섬유 는 코어(122)와 제1 클래드(124) 및 제2 클래드(126)을 포함할 수 있다. 상기 코어(122)는 희토류 원소가 첨가될 수 있다. 상기 희토류 원소는 상기 펌프 광원으로부터 빛을 받아 여기될 수 있다. 상기 여기된(exciated) 희토류 이온의 전자들은 빛을 방출할 수 있다. 상기 희토류 이온이 방출한 광은 상기 코어(122)를 통해 진행하며, 방출된 광은 케비티(cavity)를 통해 레이저를 발진시킬 수 있다. 상기 제1 광섬유(120)의 제1 클래드(124)은 실리카(silica) 유리로 구성될 수 있다. 상기 제2 클래드(126)은 실리카에 불소가 함유된 저 굴절률 유리 또는 폴리머(polymer)일 수 있다. 상기 제1 클래드(124)과 상기 제2 클래드(126)의 굴절률 차이는 통상적으로 0.4 이상일 수 있다. 따라서, 상기 제1 광섬유(120)는 상기 펌프 광원으로부터 다양한 각도의 빛을 수용할 수 있다. 또한 상기 제1 클래드(124)의 외경은 상기 코어(122)에 비해 100 배 이상 클 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 클래드(124)은 많은 양의 빛을 수용할 수 있다.
상기 제2 광섬유(130)는 단일 모드 광섬유(single-mode optical fiber) 또는 다중 모드 광섬유일 수 있다. 상기 제2 광섬유(130)의 일단은 상기 중공 광학 커플러(110)의 직선부(112)의 일단에 접촉할 수 있다. 상기 제2 광섬유(130)는 상기 제1 광섬유(120)와 접촉하도록 상기 제1 광섬유(120)의 둘레에 배치될 수 있다. 상기 제2 광섬유(130)와 상기 중공 광학 커플러(110)는 같은 재질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 광섬유(130)의 타단에 입사하는 상기 펌프 광원(140)의 입사광은 상기 중공 광학 커플러(110)의 일단에서 반사없이 상기 중공 광학 커플러(110)로 진행할 수 있다. 이를 위하여, 상기 중공 광학 커플러(110)의 일단 은 무반사 코팅될 수 있다. 상기 제2 광섬유(130)의 일단은 상기 중공 광학 커플러(110)의 일단의 내부에 배치될 수 있다. 상기 제2 광섬유(130)의 출력광은 상기 중공 광학 커플러(110)에 제공될 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)에 제공된 광은 사이드 커플링(side coupling)을 통하여 상기 제1 광섬유(120)에 제공될 수 있다.
상기 제2 광섬유(130)는 고출력의 상기 펌프 광원(140)의 출력광을 제공받을 수 있다. 상기 제1 광섬유(120)는 어레이(array) 형태로 제작된 고출력의 상기 펌프 광원(140)의 출력광을 상기 제2 광섬유(130)를 통하여 상기 제1 클래드(124)에 경사 입사시킬 수 있다. 상기 펌프 광원(140)은 다수의 다이오드 바(diode bar) 또는 다이오드 스택(diode stack)일 수 있다. 상기 펌프 광원(140)은 대구경이고 높은 NA(numerical aperture: NA)를 가진 상기 제2 광섬유(130)와 결합될 수 있다. 이에 따라, 제1 광섬유(120)의 코어(122)에서 고출력의 레이저 발진이 가능하다. 상기 제1 클래드(124)에 입사된 상기 펌프 광원(140)의 출력광은 상기 코어(122)를 가로지르면서 상기 코어(122)에 도핑되어 있는 희토류 이온을 여기 시킬 수 있다. 여기된 희토류 이온은 빛을 방출하고, 방출된 빛은 상기 코어(122)를 통해 진행하며 증폭될 수 있다. 또한 제1 광섬유(120)에 형성된 레이징 케비티(cavity), 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg gratings), 또는 거울(mirrors)를 통해 레이저가 발진할 수 있다. 상기 발진된 레이저는 고출력이고 높은 품질의 빛을 제공할 수 있다. 상기 코어(122)의 조건에 따라 단일 모드 또는 다중 모드 광섬유 레이저가 형성될 수 있다.
클램프(150)는 상기 제2 광섬유들(130)과 상기 중공 광학 커플러(110)를 서로 고정 결합할 수 있다. 상기 클램프(150)의 일단에 배치된 커플러 홈(152)에 상기 중공 광학 커플러(110)의 직선부(112)가 삽입될 수 있다. 상기 클램프(150)의 타단은 상기 제1 광섬유(120)가 삽입되는 제1 광섬유 홈(154) 및 상기 제2 광섬유들(130)이 삽입되는 제2 광섬유 홈들(156)을 포함할 수 있다.
상기 제1 광섬유 홈(154) 및 제2 광섬유 홈들(156)은 상기 클램프(150)를 관통할 수 있다. 상기 클램프(150)는 유전체 또는 금속일 수 있다. 상기 제1 광섬유 홈(154)은 상기 클램프(150)의 중심축에 배치될 수 있다. 상기 제2 광섬유 홈들(156)과 상기 제1 광섬유 홈(154)이 서로 접촉하는 영역은 서로 연결될 수 있다. 상기 제 1 광섬유 홈(154)에 상기 제1 광섬유가 삽입될 수 있다. 상기 제2 광섬유 홈들(156)에 상기 제2 광섬유들(130)이 삽입될 수 있다. 상기 제1 광섬유(120) 및 상기 제2 광섬유들(130)은 상기 클램프(150)와 기계적 및/또는 접착제를 이용하여 고정 결합할 수 있다.
상기 펌프 광원(140)은 상기 제2 광섬유들(130)의 타단에 배치될 수 있다. 상기 펌프 광원(140)은 반도체 어레이 다이오드 레이저( semiconductor arrayed diode laser)일 수 있다. 상기 반도체 어레이 다이오드 레이저는 바 다이오드(bar diode) 또는 다이오드 스택(diode stack)의 형태일 수 있다. 상기 펌프 광원(140)의 파장은 915 nm, 980 nm, 및 1480 nm 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 광섬유(120)의 일단에 신호원(160)이 배치될 수 있다. 상기 신호원(160)은 반도체 레이저일 수 있다. 상기 신호원(160)의 주파수와 상기 펌프 광 원(140)의 주파수는 서로 다를 수 있다. 상기 신호원(160)의 주파수로 신호광은 상기 제1 광섬유(120)를 통해 증폭될 수 있다. 상기 신호원(160)은 제1 광섬유의 코어에 직접 제공될 수 있다.
상기 제1 광섬유(120)의 일단에 광섬유 격자(grating)을 새기거나 거울(mirror) 소자를 연결할 수 있고, 제 1 광섬유(120)의 타단에 동일한 파장의 격자(grating) 또는 거울(mirror)를 두어 고출력 광섬유 레이저를 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 광 결합 장치는 코어 불일치(core mismatch)가 없어 펌프 광원의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 상기 펌프 광원(140)의 출력광은 측면 결합에 의하여 광량의 감소없이 효율적으로 상기 제1 광섬유(120)에 제공될 수 있다. 상기 광 결합 장치는 오정렬의 문제를 유발하지 않는다. 상기 광 결합 장치는 용이하게 펌프 광원의 출력광을 제1 광섬유에 공급할 수 있다. 즉, 제1 광섬유의 코어에 도핑되어 있는 희토류 원소에 의해 형성 또는 진행하는 모든 레이저나 ASE가 모두 코어를 따라서 진행할 수 있다. 이에 따라, 펌프 광원 쪽으로 역방향의 고출력의 광이 들어갈 가능성은 매우 낮게 된다. 그 결과로 펌프 광의 수명이 늘어나는 장점이 있다. 또한 신호원이 제1 광섬유의 코어로 바로 입사되기 때문에 신호 광원의 광손실이 매우 적어진다. 또한, 제1 광섬유는 클래딩 및 코어의 크기가 제조 과정에서 일정하게 유지되어, 상기 제1 광섬유를 진행하는 광의 모드 변화가 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치는 벌크 광학계(bulk optics)를 전혀 사용하지 않아 광섬유 레이저의 소형화를 제공할 수 있다. 상기 광 결합 장치는 이 중 클래드 광섬유를 이용하여 레이저 뿐만 아니라 고출력 증폭기를 만드는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 결합 장치를 설명하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 광 결합 장치(101)는 일정한 지름의 관통 홀(116)을 가지고 직선부(112) 및 테이퍼부(114)를 포함하는 중공 광학 커플러(110), 상기 관통 홀(116)에 삽입되어 상기 중공 광학 커플러(110)와 융착되는 제1 광섬유(220), 상기 중공 광학 커플러(110)의 상기 직선부(112)의 일단에 결합하는 복수의 제2 광섬유(130), 및 상기 제2 광섬유들(130)의 타단에 연결된 펌프 광원들(140)을 포함한다. 상기 제2 광섬유(130)의 일단은 상기 중공 광학 커플러(110)의 상기 직선부(112)의 일단에 접촉한다. 상기 중공 광학 커플러(110)는 상기 제2 광섬유(130)의 타단을 통하여 공급된 상기 펌프 광원(140)의 출력광을 상기 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)할 수 있다.
상기 제1 광섬유(220)는 이중 클래딩 광섬유 또는 다중 모드 광섬유일 수 있다. 상기 제1 광섬유(220)는 코어(222) 및 클래드(224)을 포함할 수 있다. 상기 펌프 광원(140)의 출력광은 상기 제2 광섬유(130)로 입사하여 진행할 수 있다. 상기 제2 광섬유(130)의 진행광은 상기 중공 광학 커플러(110)에 입사할 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)를 진행하는 광은 상기 테이퍼부(114)를 통하여 손실없이 측면 결합(side coupling)을 통하여 상기 제1 광섬유(220)로 진행할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 광 결합 장치를 설명하는 단면도들이다. 도 1a 및 도 1b에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다. 도 3 및 도 4는 광 결합 장치의 직선부의 일단의 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 상기 광 결합 장치(102)는 제1 광섬유(120) 주위에 6개의 제2 광섬유들(130)이 서로 접촉하여 배치될 수 있다. 상기 제1 광섬유(120)의 외경과 상기 제2 광섬유(130)의 외경은 같을 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 광 결합 장치(103)는 제1 광섬유(120) 주위에 18개의 제2 광섬유들(130)이 서로 접촉하여 배치될 수 있다. 상기 제1 광섬유(120)의 외경과 상기 제2 광섬유(130)의 외경은 같을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 상기 광 결합 장치의 제조 방법은 일정한 지름의 관통 홀을 포함하는 중공 광섬유를 제공하는 단계(S110), 상기 중공 광섬유를 처리하여 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 중공 광학 커플러를 형성하는 단계(S120), 상기 중공 광학 커플러의 상기 관통 홀에 제1 광섬유를 삽입하고 융착시키는 단계(S130), 및 상기 중공 광섬유의 직선부의 일단에 복수의 제2 광섬유를 결합시키는 단계(S140)를 포함한다. 상기 중공 광학 커플러는 상기 제2 광섬유를 통하여 공급된 출력광을 상기 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)할 수 있다.
상기 중공 광섬유의 직선부의 일단에 복수의 제2 광섬유를 결합시키는 단계(S140)는 상기 중공 광학 커플러의 둘레에 배치되어 상기 제2 광섬유들을 상기 중공 광학 커플러에 고정 결합시키는 클램프에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 중공 광섬유의 직선부의 일단에 복 수의 제2 광섬유를 결합시키는 단계(S140)는 상기 중공 광학 커플러의 일단의 상기 제1 광섬유의 둘레에 배치된 상기 제2 광섬유들과 상기 중공 광학 커플러의 일단을 융착시킬 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치의 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 6a를 참조하면, 중공 광섬유(110a)는 관통 홀(116a)을 포함할 수 있다(S110). 상기 관통 홀(116a)의 지름은 일정할 수 있다. 상기 관통 홀(116a)은 원형일 수 있다. 상기 관통 홀(116a)의 중심은 상기 중공 광섬유(110a)의 중심과 반드시 일치할 필요는 없다. 상기 중공 광섬유(110a)의 관통 홀(116a)의 단면은 원형 형상에 한정되는 것은 아니다. 상기 중공 광섬유(110a)의 외형은 원형에 한정되는 것은 아니다. 상기 중공 광섬유(110a)는 실리카 유리일 수 있다. 상기 중공 광섬유(110a)의 굴절률은 상기 제2 광섬유의 코어 또는 클래드의 굴절률과 동일할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상기 중공 광섬유(110a)는 기계적 및/또는 화학적 가공에 의하여 중공 광학 커플러(110)를 제공할 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)는 직선부(112)와 테이퍼부(114)를 포함할 수 있다. 상기 직선부의 외경은 일정할 수 있다. 상기 테이퍼부(114)의 외경은 점차적으로 감소할 수 있다. 상기 테이퍼부(114)는 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다(S120). 또는 상기 중공 광학 커플러(110)의 상기 테이퍼부(114)는 상기 중공 광섬유(110a)의 관통 홀에 금속 선(metal wire)을 삽입하고 열을 가하여 인장(drawing)하여 형성할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 상기 중공 광학 커플러(110)의 상기 관통 홀(116)에 제1 광섬유(120)가 삽입될 수 있다. 상기 제1 광섬유(120)는 코어(122), 제1 클래드(124), 및 제2 클래드(126)을 포함할 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)의 상기 관통 홀(116)에 상기 제1 광섬유(120)를 삽입 시, 상기 제 1 광섬유(120)의 제2 클래드 (124)는 원활한 사이드 결합 (side coupling)을 위해 일부분 제거될 수 있다. 이어서, 상기 중공 광학 커플러(110)와 상기 제1 광섬유(120)는 토치(torch, 180)를 이용하여 가열하여 서로 융착될 수 있다. 상기 융착은 상기 제1 광섬유(120)와 상기 광학 커플러(110) 사이의 간격을 제거하고 서로 달라 붙게 할 수 있다(S130).
제2 광섬유에서 입력되는 펌프 광원의 출력광이 상기 제1 광섬유(120)와 더 효율적인 결합(coupling)하기 위해 상기 중공 광학 커플러(110)의 상기 테이퍼부(114)의 일단은 추가적으로 업 테이퍼링(up tapering) 또는 다운 테이퍼링(down tapering)될 수 있다.
도 6d를 참조하면, 제2 광섬유들(130)의 일단은 상기 중공 광학 커플러(110)의 직선부(112)의 일단과 서로 융착(fusion splice)하여 접속시킬 수 있다(S140). 이 경우, 상기 중공 광학 커플러(110)의 외주면 내에 상기 제2 광섬유들(130) 및 상기 제1 광섬유(120)가 배치될 수 있다. 상기 제2 광섬유들(130)의 일단의 측면은 상기 제1 광섬유(120)의 측면과 서로 밀착될 수 있다. 상기 제2 광섬유들(130)과 상기 중공 광학 커플러(120)의 연결은 스플라이서(splicer), 아크 융착(arc fusion splice), 토치 또는 퍼니서(furnace)를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 중공 광학 커플러(110)의 외경은 상기 제2 광섬유들(130)의 수에 의존할 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)의 내경은 상기 제1 광섬유(120)의 클래드의 외경에 의존할 수 있다. 상기 중공 광학 커플러(110)의 내경은 상기 제1 광섬유(120)의 클래드의 외경과 실질적으로 같을 수 있다.
클램프(150)는 상기 중공 광학 커플러(110)의 둘레에 배치되고, 상기 제2 광섬유들(130)을 상기 중공 광학 커플러(110)에 고정 결합시킬 수 있다. 즉, 상기 클램프(150)는 상기 중공 광학 커플러(110) 및 상기 제2 광섬유들(130)과 고정 결합할 수 있다. 상기 클램프(150)와 상기 중공 광학 커플러(110)는 융착 방법, 접착제 방법 ,또는 기계적 결합 방법으로 서로 고정 결합 수 있다. 상기 클램프(150)와 상기 제2 광섬유들(130)은 융착 방법, 접착제 방법 ,또는 기계적 결합 방법으로 서로 고정 결합 수 있다. 기계적 결합 방법인 경우, 상기 클램프(150)는 탄성을 가질 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 광 증폭기를 설명하는 도면들이다.
도 7a를 참조하면, 상기 광 증폭기는 일정한 지름의 관통 홀을 가지고 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 제1 중공 광학 커플러(110), 상기 관통 홀에 삽입되어 상기 제1 중공 광학 커플러(110)와 융착되는 제1 광섬유(120), 및 상기 제1 중공 광학 커플러(110)의 상기 직선부의 일단에 결합하는 복수의 제2 광섬유들(130), 상기 제1 광섬유(120)의 일단에 배치된 신호원(160), 및 상기 제2 광섬유들(130)의 타단에 연결된 제1 펌프 광원들(140)을 포함한다. 상기 제2 광섬유들(130)의 일단 은 상기 제1 중공 광학 커플러(110)의 상기 직선부의 일단에 접촉한다. 상기 제1 중공 광학 커플러(110)는 상기 제2 광섬유들(12)의 타단을 통하여 공급된 상기 제1 펌프 광원(140)의 출력광을 상기 제1 광섬유(120)에 사이드 결합(side coupling)한다. 상기 제1 광섬유(120)는 희토류 원소로 도핑된 코어를 포함하고, 상기 신호원(160)은 상기 제1 광섬유(120)를 통해 증폭 발진될 수 있다.
상기 신호원(160)과 상기 제1 광섬유(120)의 일단 사이에 제1 아이솔레이터(170a)가 배치될 수 있다. 상기 제1 아이솔레이터(170a)는 일방향으로 광을 전달할 수 있다. 또한, 상기 제1 광섬유(120)의 타단과 출력단(190) 사이에 제2 아이솔레이터(170b)가 배치될 수 있다.
상기 제1 광섬유(120)는 이중 클래드 광섬유 (double clad fiber)일 수 있다. 상기 제1 펌프 광원(140)의 출력광은 좌측에서 상기 제2 광섬유에 입력될 수 있다. 상기 광 증폭기는 단방향 펌핑 구조일 수 있다.
도 7b를 참조하면, 제2 중공 광학 커플러(510)는 직선부와 테이퍼부를 포함하고, 상기 제1 중공 광학 커플러(110)와 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 중공 광학 커플러(510)는 상기 제1 광섬유(120)에 융착할 수 있다. 복수의 제3 광섬유들(530)은 상기 제2 중공 광학 커플러(510)의 상기 직선부의 일단에 결합할 수 있다. 제2 펌프 광원들(540)은 상기 제3 광섬유들(530)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 광 증폭기는 양방향 펌핑 구조이다. 상기 제2 중공 광학 커플러(510)는 상기 제1 중공 광학 커플러(110)와 실질적으로 동일한 구조일 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 섬유 레이저를 설명하 는 도면들이다.
도 8a를 참조하면, 상기 광 섬유 레이저는 일정한 지름의 관통 홀을 가지고 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 제1 중공 광학 커플러(110), 상기 관통 홀에 삽입되어 상기 제1 중공 광학 커플러(110)와 융착되는 제1 광섬유(120), 및 상기 제1 중공 광학 커플러(110)의 상기 직선부의 일단에 결합하는 복수의 제2 광섬유들(130), 상기 제1 광섬유(120)의 양단에 배치된 광섬유 격자 소자들(171a, 171b), 및 상기 제2 광섬유들(130)의 타단에 연결된 제1 펌프 광원들(140)을 포함한다. 상기 제2 광섬유들(130)의 일단은 상기 제1 중공 광학 커플러(110)의 상기 직선부의 일단에 접촉한다. 상기 제1 중공 광학 커플러(110)는 상기 제2 광섬유들(130)의 타단을 통하여 공급된 상기 제1 펌프 광원(140)의 출력광을 상기 제1 광섬유(120)에 사이드 결합(side coupling)한다. 상기 제1 광섬유(120)는 희토류 원소로 도핑된 코어를 포함하고, 상기 광섬유 격자 소자들 (171a, 171b)에 의해 레이저를 발진시킨다.
상기 제 1 광섬유(120)의 양단에 배치된 상기 광섬유 격자 소자들 (171a, 171b)은 특정 파장 또는 특정의 파장 대역에서 반사특성을 가질 수 있다. 상기 제 2 광섬유(130)를 통하여 입력되는 펌프광이 상기 제 1 광섬유(120)에 측면 결합(side coupling)하여 상기 제 1 광섬유(120)의 제1 클래딩에 인입될 수 있다. 상기 제1 클래딩을 따라 진행하는 펌핑광이 코어에 도핑되어 있는 희토류 이온에 의해 흡수될 수 있다. 흡수된 광 에너지는 새로운 파장의 광을 발생시키고, 상기 새로운 파장의 광은 상기 광섬유 격자 소자들(171a, 171b)에 의해 레이저로 변환되어 출력된다. 상기 레이저의 출력 방향은 상기 광섬유 격자 소자들 (171a, 171b)의 반사율에 따라 한쪽 방향으로 나올 수 있고 양방향으로 나올 수도 있다.
도 8b를 참조하면, 제2 중공 광학 커플러(510)는 직선부와 테이퍼부를 포함하고, 상기 제1 중공 광학 커플러(110)와 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 중공 광학 커플러(510)는 상기 제1 광섬유(120)에 융착할 수 있다. 복수의 제3 광섬유들(530)은 상기 제2 중공 광학 커플러(510)의 상기 직선부의 일단에 결합할 수 있다. 제2 펌프 광원들(540)은 상기 제3 광섬유들(530)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 광 섬유 레이저는 양방향 펌핑 구조이다. 상기 제2 중공 광학 커플러(510)는 상기 제1 중공 광학 커플러(110)와 실질적으로 동일한 구조일 수 있다.
도 8b는 도 8a와 같은 원리에 의한 구성이다. 따라서, 중복되는 설명은 생략한다. 다른 점은 양방향 펌핑 구조를 갖는다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 결합 장치를 설명하는 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 광 결합 장치를 설명하는 단면도들이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결합 장치의 제조 방법를 설명하는 도면들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 광 증폭기를 설명하는 도면들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예들에 따른 광 섬유 레이저를 설명하는 도면들이다.

Claims (15)

  1. 중앙에 관통 홀을 가지고 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 중공 광학 커플러;
    상기 관통 홀에 삽입되어 상기 중공 광학 커플러와 융착되는 제1 광섬유;
    상기 중공 광학 커플러와 결합하는 복수의 제2 광섬유들; 및
    상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 단부 및 외면에 배치되어 상기 제2 광섬유들을 상기 중공 광학 커플러에 고정시키는 클램프를 포함하되,
    상기 제2 광섬유들의 단부는 상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 단부에 융착되고, 상기 제2 광섬유들은 일정한 외경을 가지며,
    상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 단부의 외경은 상기 제2 광섬유들을 포함하는 광섬유 묶음의 전체 외경보다 크고,
    상기 중공 광학 커플러는 상기 복수의 제2 광섬유들의 타단을 통하여 공급된 출력광을 상기 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)하도록 하는 것을 특징으로 하는 광 결합 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광섬유의 타단에 연결된 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 결합 장치.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광섬유는 코어 클래드로 구성된 다중 모드 광섬유 또는 이중 클래드 광섬유인 것을 특징으로 하는 광 결합 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광섬유는 단일 모드 광섬유 또는 다중 모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 광 결합 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광섬유는 코어, 제1 클래드, 및 제2 클래드을 포함하는 이중 클래드 광섬유이며, 상기 코어에 희토류 원소가 첨가될 수 있고, 상기 출력광을 흡수한 희토류 원소는 코어를 따라 새로운 파장의 광을 증폭 자발 방출(Amplified spontaneous emission: ASE)하는 것을 특징으로 하는 광 결합 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 직선부는 균일한 외경을 갖는 실린더 형태이고,
    상기 테이퍼부는 절두된 원뿔(truncated cone) 형태의 외경을 가지는 것을 특징으로 하는 광 결합 장치.
  8. 중앙에 관통 홀을 가지고 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 제1 중공 광학 커플러;
    상기 관통 홀에 삽입되어 상기 제1 중공 광학 커플러와 융착되는 제1 광섬유;
    상기 제1 중공 광학 커플러와 결합하는 복수의 제2 광섬유들;
    상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 단부 및 외면에 배치되어 상기 제2 광섬유들을 상기 중공 광학 커플러에 고정시키는 클램프;
    상기 제1 광섬유의 일단에 배치된 신호원; 및
    상기 제2 광섬유들의 타단에 연결된 제1 광원들을 포함하되,
    상기 제2 광섬유들의 단부는 상기 제1 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 단부에 융착되고, 상기 제2 광섬유들은 일정한 외경을 가지며,
    상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 단부의 외경은 상기 제2 광섬유들을 포함하는 광섬유 묶음의 전체 외경보다 크고,
    상기 제1 중공 광학 커플러는 상기 복수의 제2 광섬유들의 타단을 통하여 공급된 상기 제1 광원의 출력광을 상기 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)하고,
    상기 제1 광섬유는 상기 신호원의 광을 증폭 발진시키는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 광섬유는 희토류 원소로 도핑된 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  10. 제 8항에 있어서,
    중앙에 관통홀을 가지고 직선부와 테이퍼부를 포함하고 상기 제1 중공 광학 커플러와 이격되어, 상기 관통홀에 상기 제1 광섬유가 융착되는 제2 중공 광학 커플러;
    상기 제2 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 일단에 결합하는 복수의 제3 광섬유들; 및
    상기 제3 광섬유들의 타단에 연결된 제2 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 신호원과 상기 제1 광섬유의 일단 사이에 배치된 아이솔레이터(isolator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 타단에 배치된 아이솔레이터(isolator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  13. 중앙에 관통 홀을 포함하는 중공 광섬유를 제공하는 단계;
    상기 중공 광섬유를 처리하여 직선부 및 테이퍼부를 포함하는 중공 광학 커플러를 형성하는 단계;
    상기 중공 광학 커플러의 상기 관통 홀에 출력 제1 광섬유를 삽입하고 융착시키는 단계; 및
    상기 중공 광섬유의 상기 직선부의 단부에 일정한 외경을 가지는 복수의 제2 광섬유들의 단부를 결합시키는 단계를 포함하되,
    상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 단부의 외경은 상기 제2 광섬유들을 포함하는 광섬유 묶음의 전체 외경보다 크고,
    상기 중공 광학 커플러는 상기 복수의 제2 광섬유들을 통하여 공급된 출력광을 상기 제1 광섬유에 사이드 결합(side coupling)하는 것을 특징으로 하는 광 결합 장치의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 중공 광섬유의 상기 직선부의 단부에 일정한 외경을 가지는 복수의 제2 광섬유들의 단부를 결합시키는 단계는,
    상기 중공 광학 커플러의 상기 직선부의 단부 및 외면에 배치되어 상기 제2 광섬유들을 상기 중공 광학 커플러에 고정 결합시키는 클램프에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 광 결합 장치의 제조 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 중공 광섬유의 상기 직선부의 단부에 일정한 외경을 가지는 복수의 제2 광섬유들의 단부를 결합시키는 단계는,
    상기 중공 광학 커플러의 단부의 상기 제1 광섬유의 둘레에 배치된 상기 제2 광섬유들의 단부와 상기 중공 광학 커플러의 단부를 융착시키는 것을 특징으로 하는 광 결합 장치의 제조 방법.
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