KR101542476B1 - 다수의 단파장 광을 결합하기 위한 다중 광 결합기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 광 결합기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 서로 다른 파장 대의 광을 하나로 결합하여 넓은 파장의 광을 출력할 수 있고, 동일 파장이나 서로 다른 파장의 광들을 결합하여 광 파워를 증가시킬 수 있는 다중 광 결합기에 관한 것이다.

Description

다수의 단파장 광을 결합하기 위한 다중 광 결합기{Optical coupler for coupling multiful short-wavelength light}
본 발명은 다중 광 결합기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 서로 다른 파장 대의 광을 하나로 결합하여 넓은 파장의 광을 출력할 수 있고, 동일 파장이나 서로 다른 파장의 광들을 광 파워의 손실없이 결합할 수 있는 다중 광 결합기에 관한 것이다.
광 스펙트럼 분석시 현재 가장 많이 사용되는 광원은 할로겐 램프이다.
이 할로겐 램프는 파장대역이 400nm~1700nm의 광대역 스펙트럼을 제공하므로 광소자의 광 스펙트럼 분석과 분광 분석시 범용적으로 사용되고 있다.
그러나 할로겐 램프는 고전력 사용으로 인한 열 발생이 심하여 방열판이나 팬 등을 장착하여 냉각시켜주어야 하므로 스펙트럼 분석기 등의 부피가 커지는 문제점이 있고, 사용시간도 2,000 시간에서 10,000 시간정도로 수명이 짧아 주기적으로 교체해 주어야 하는 단점이 있다.
도 1은 광도파로를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면 광도파로(10)는 광파이버, 광섬유라고도 하며, 광(B)이 지나가는 코어(11)와 코어(11)의 외부를 감싸는 클래드(12)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 코어(11)는 상기 클래드(12)보다 굴절률이 낮아 상기 코어(11)로 입력된 광은 외부로 빠져나가지 못하고 상기 코어(11)에 갇혀 진행하게 된다.
또한, 상기 광도파로(10)는 단면이 원형 또는 다각형으로 다양한 형태로 제작이 가능하다.
도 2는 단일모드 광도파로 내의 광의 공간적 세기분포를 보여주는 도면이다.
기하광학적(geometrical optics) 관점에서 광은 코어(11)에 완전히 갇혀서 전파되는 것으로 설명할 수 있지만, 좀 더 정확한 광의 전파를 기술하는 파동광학적(wave optics) 관점에서는 도 2에 도시한 바와 같이 광(B)이 코어(11) 내부에 대부분 존재하고 약간의 여분이 코어 밖에 존재하는 것으로 설명할 수 있다.
그러므로 기하광학적 관점에서 본 광통신은 코어(11) 내에서 광이 전반사 현상에 의하여 계속 코어 내에서만 전파되는 원리를 이용하여 광을 매개로 정보를 전송할 수 있는 통신방법이다.
이때, 코어(11)의 단면의 높이(h)와 폭(w)이 통과하는 광의 파장의 수배로 크지 않을 때, 광은 코어(11)를 특정한 형태로 진행하는데, 이러한 광의 진행 형태를 "모드"라고 한다.
또한, "모드"는 하나의 특정한 형태의 광인 "단일모드"와 복수의 형태의 광인 "다중모드"로 구분되며, 단일모드를 통과시키는 도파로를 "단일모드 도파로", 다중모드를 통과시키는 도파로를 "다중모드 도파로"라 한다.
즉, 도 2는 단일모드 도파로에서 광(B)이 전파해가는 것을 개념적으로 도시한 것이며, 단일모드 도파로에서 광의 세기의 극대점(A)은 1개이다.
한편, 코어 내에서 전파될 수 있는 모드의 개수는 코어의 단면 크기에 의존하며, 단면의 크기가 커질수록 더 많은 모드가 전파될 수 있다.
도 3은 다중모드 광도파로 내의 광의 공간적 세기분포를 보여주는 것으로 도 2에 도시한 단일모드 도파로의 폭(w)보다 폭(w')이 크다. 즉, 다중모드 광도파로(11') 내에서는 극대점이 2개(A,A')인 다중모드의 광(B')이 전파될 수 있으며, 코어의 단면이 커질수록 극대점이 3개 또는 3개 이상인 다중모드가 통과할 수 있다.
또한, 극대점이 1개인 모드를 1차 모드, 극대점이 2개인 모드를 2차 모드로 부르기도 하며, 2차 모드가 전파되는 다중모드 광도파로에서는 1차 모드도 통과할 수 있다.
흔히, n차 모드를 도파시킬 수 있는 광도파로는 1차 모드에서 n-1차까지의 모드를 도파시킬 수 있다.
여기서 중요한 점은 단일모드 도파로는 오직 극대점이 하나인 모드만을 도파시킬 수 있다는 점이다. 그러므로 단일모드 도파로에 2차모드나 3차모드를 입사시킬 경우, 광은 전반사를 하지 못하고 코어를 빠져나가 버린다 이러한 모드를 "방사모드"라 한다.
도 4는 방사모드를 설명하기 위한 도면으로, 도 4를 참조하면, 도 4의 도파로는 광 입사측에서부터 제1 1차모드 도파로(10), 2차모드 도파로(20), 제2 1차모드 도파로(10a)가 연결된 도파로이다.
먼저, 상기 제1 1차모드 도파로(10)로 1차 모드의 광(B1)이 입력되고, 상기 2차모드 도파로(20)에 도착하여서는 1차 모드의 광(B1)이 2차 모드의 광(B2)을 여기시키게 된다.
그 이유는 급작스러운 도파환경의 변화가 광전파에 혼돈을 주기 때문이다.
즉, 1차 모드의 광(B1)이 상기 2차모드 도파로(20)에 도착하여 2차 모드의 광(B2)을 여기하고 1차 모드의 광(B1)은 에너지가 절반으로 줄어든 1차 모드의 광(B1')이 된다.
또한, 상기 2차모드 도파로(20)를 통과한 2차 모드와 1차 모드의 광은 상기 제2 1차모드 도파로(10a)에 도파되고, 2차 모드의 광(B2)은 상기 제2 1차모드 도파로(10a)를 통과하지 못하고 방사되어 버린다.
따라서, 상기 제2 1차모드 도파로(10a)에는 에너지가 줄어든 1차 모드의 광(B1')만이 전달된다.
즉, 모드가 서로 다른 광 도파로에 광이 전달되거나 서로 다른 광 도파로의 광을 결합할 때, 광의 세기가 줄어들 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 서로 다른 대역의 광을 결합하여 광대역의 스펙트럼을 제공하되, 발열은 적고 사용시간은 늘릴 수 있는 다중 광 결합기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 서로 다른 모드의 광 또는 동일한 모드의 광을 결합할 때, 광 세기의 감소가 발생하지 않게 하여 출력되는 광의 파워를 증가시킬 수 있는 다중 광 결합기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복수 개의 입력측 광도파로; 및 입력단에 상기 입력측 광도파로들의 출력단이 함께 결합하며, 상기 입력측 광도파로의 광들을 결합하여 출력하는 하나의 출력측 광도파로;를 포함하며, 상기 입력측 광도파로들은 서로 다른 파장의 광을 상기 출력측 광도파로로 전달하는 것을 특징으로 하는 다중 광 결합기를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 입력측 광도파로들은 단일모드 광도파로(single-mode optical waveguide) 및 다중모드 광도파로(multimode optical fiber)를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 입력측 광도파로들은 서로 폭이 상이한 광도파로이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 출력측 광도파로는 다중모드 광도파로이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 입력측 광도파로들은 서로 다른 파장의 LED광, 레이저 또는 복합광을 상기 출력측 광도파로로 전달한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 입력측 광도파로들의 입력단에는 각각 LED광원, 레이저광원 또는 복합광원이 구비된다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 다중 광 결합기에 서로 다른 대역의 LED광을 결합하여 광대역의 스펙트럼으로 제공할 수 있으므로 발열이 적어 냉각에 필요한 방열판 및 팬 등을 구비할 필요가 없으며, 사용시간도 할로겐에 비해 5배 내지 25배 증가시킬 수 있어 사용수명을 매우 늘릴 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 서로 다른 모드나 동일한 모드의 광을 결합할 때, 다중모드로 여기되는 광의 방사를 방지할 수 있으므로 광 결합에 따른 광 파워의 선형적인 증가를 실현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 광도파로를 설명하기 위한 도면,
도 2는 단일모드 광도파로 내의 광의 공간적 세기분포를 보여주는 도면,
도 3은 다중모드 광도파로 내의 광의 공간적 세기분포를 보여주는 도면,
도 4는 방사모드를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 광 결합기를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 광 결합기의 비교예이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 광 결합기(100)는 입력측 광도파로(110)와 상기 입력측 광도파로(110)의 광들을 결합하여 출력하는 출력측 광도파로(120)를 포함하여 이루어진다.
상기 입력측 광도파로(110)는 파장이 서로 다른 광들을 입력받기 위한 것으로 복수 개의 입력측 광도파로(111,112)로 이루어진다.
또한, 도시하지는 않았으나 상기 입력측 광도파로들(111,112)의 입력단에는 서로 다른 파장대의 LED광을 입사시키기 위한 LED광원이 구비될 수 있다.
또한, 상기 LED광원은 레이저를 입사시키기 위한 레이저광원, 서로 다른 종류의 광이 결합된 복합광을 입사시키기 위한 복합광원으로 대체되거나, 상기 레이저광원 또는 복합광원과 함께 구비될 수 있다.
또한, 상기 LED광원, 상기 레이저광원 및 상기 복합광원은 독립적으로 온/오프 구동이 가능하여 상기 출력측 광도파로로(120)로 출력되는 광의 출력을 간판하게 조절할 수 있다.
또한, 상기 입력측 광도파로들(111,112)은 두 개의 광 도파로로 도시하였으나 세 개 이상의 광 도파로로 이루어질 수 있으며, 출력하고자하는 광의 파장대역에 맞게 증설이 가능하다.
또한, 상기 입력측 광도파로들(111,112)은 단면이 다각형이나 원형의 광도파로일 수 있으며, 형상에 따른 제한은 없다.
한편, LED광원은 단파장의 LED광을 출력하며, 자외선 대역을 비롯하여 가시광선 및 적외선에 이르기까지 다양한 파장대의 LED광을 출력하는 광원이 출시되어 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 광 결합기(100)는 할로겐을 사용하지 않고, 서로 다른 파장대의 LED광을 결합하여 광대역의 스펙트럼을 제공하기 위한 장치이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 광 결합기(100)는 LED광원을 이용하므로 방열을 위한 방열판 및 팬이 필요 없어 부피를 줄일 수 있고, 평균 50,000시간 이상의 수명이 보장되므로 광원의 교체비용이 매우 저렴한 장점이 있다.
또한, 상기 입력측 광도파로들(111,112)은 서로 다른 모드의 광도파로일 수 있다.
즉, 상기 입력측 광도파로(110)은 단일모드와 다중모드의 광도파로가 비대칭의 구조로 구성될 수 있으며, 서로 단면의 면적, 폭이 서로 상이한 도파로들일 수 있다.
그러나, 상기 입력측 광도파로(110)는 동일한 모드의 광도파로들만으로 대칭의 구조로 구성될 수 있다.
상기 출력측 광도파로(120)는 상기 입력측 광도파로들(111,112)의 출력단에 함께 연결된 하나의 광도파로로써, 상기 입력측 광도파로들(111,112)에서 도파된 광을 결합하여 광대역의 광을 출력한다.
또한, 상기 출력측 광도파로(120)는 다중모드 광도파로로 구비된다.
그 이유는 도 4의 설명에서 설명한 바 있듯이 단일모드 도파로에서 다중모드 도파로로 광이 전파될 때, 단일모드의 광(B1)은 2차모드 여기영역(110a)에서 2차모드의 광(B2)을 여기되고, 여기된 2차모드의 광(B2)이 상기 출력측 광도파로(120)에서 방사되지 않고 도파로 내에서 전파될 수 있게 하기 위함이다.
도 6는 상기 출력측 광도파로(120)가 단일모드 도파로(33)로 구성된 다중 광 결합기(30)를 보여주는 것으로 입력측 광도파로(31,32)에서 단일모드의 광(B1)이 전파되어 2차모드 여기영역(31a)에서 2차모드로 여기되면 이 2차모드의 광(B2)은 출력측 광도파로인 단일모드 도파로(33)로 전파되지 못하고 방사되므로 에너지가 약 절반으로 줄어든 단일모드의 광(B1')이 출력된다.
따라서, 상기 출력측 광도파로(120)가 단일모드 도파로(33)일 경우, 상기 입력측 광도파로들(111,112)들의 광을 결합하더라도 출력되는 광의 파워를 증가시킬 수 없다.
즉, 본 발명의 다중 광 결합기(100)는 상기 출력측 광도파로(120)에서 2차모드의 광(B2)이 방사되는 것을 방지하여 광 파워가 감소하는 것을 방지할 수 있다. 이는 다수의 광을 결합하였을 때 광 파워를 선형적으로 증가시킬 수 있는 것을 의미한다.
또한, 상기 출력측 광도파로(120)의 단면적은 상기 입력측 광도파로들(111,112)의 수에 비례하여 증가할 수 있으며, 적어도 상기 입력측 광도파로(111,112) 들 중, 가장 높은 차수의 모드를 도파하는 도파로의 단면적보다 큰 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 다중 광 결합기(100)에 의하면, 서로 다른 모드 또는 서로 다른 파장의 광을 결합하더라도 광 파워의 손실없이 광대역의 스펙트럼을 출력할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:다중 광 결합기 100:입력측 광도파로
120:출력측 광도파로

Claims (6)

  1. 복수 개의 입력측 광도파로; 및
    입력단에 상기 입력측 광도파로들의 출력단이 함께 결합하며, 상기 입력측 광도파로의 광들을 결합하여 출력하는 하나의 출력측 광도파로;를 포함하며,
    상기 입력측 광도파로들은 서로 다른 파장의 광을 상기 출력측 광도파로로 전달하며, 단일모드 광도파로(single-mode optical waveguide) 및 다중모드 광도파로(multimode optical fiber)를 포함하고,
    상기 출력측 광도파로는 다중모드 광도파로인 것을 특징으로 하는 다중 광 결합기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력측 광도파로들은 서로 폭이 상이한 것을 특징으로 하는 다중 광 결합기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력측 광도파로들은 서로 다른 파장의 LED광, 레이저 또는 복합광을 상기 출력측 광도파로로 전달하는 것을 특징으로 하는 다중 광 결합기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 입력측 광도파로들의 입력단에는 각각 LED광원, 레이저광원 또는 복합광원이 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 광 결합기.
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