KR101952757B1

KR101952757B1 - 광학 커플러 및 이를 포함하는 레이저 장치

Info

Publication number: KR101952757B1
Application number: KR1020170019486A
Authority: KR
Inventors: 김남성; 김성훈; 진대현; 신동준
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2019-02-27
Also published as: KR20180093424A; TW201830074A; WO2018147498A1; TWI641885B; CN206892404U

Abstract

본 발명은 광학 커플러에 관한 것으로서, 일 실시예에 따른 광학 커플러는 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 제1 광섬유가 연결되는 제1페룰, 상기 제1페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제1렌즈, 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 제2 광섬유가 연결되는 제2페룰 및 상기 제2페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제2렌즈를 포함할 수 있다.

Description

광학 커플러 및 이를 포함하는 레이저 장치 {OPTICAL COUPER AND LASER APPARTUS COMPRISING THE SAME}

본 발명은 광학 커플러 및 이를 포함하는 레이저 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 높은 출력의 광섬유 시드 레이저와 높은 출력의 레이저 증폭기를 연결하는 광학 커플러 및 이를 포함하는 레이저 장치에 관한 것이다.

최근 반도체, 디스플레이, PCB, 스마트폰 등과 같은 마이크로 전자산업 제품을 위한 초미세/비열가공의 필요성이 증가하고 있다. 종래에는 수나노주울(several nJ)급의 저출력 시드레이저와 저출력 레이저 증폭기를 일반적인 편광유지 광섬유 커넥터(Polarization-Maintaining Optical Fiber Connector)를 이용하여 사용하였다. 그러나, 상술한 바와 같이 초미세/비열가공의 필요성이 증가하는 경우, 고출력 피코초 또는 펨토초 레이저 증폭기에 대한 수요가 증가하고 있다.

저출력 레이저 증폭기의 출력을 높이기 위해 증폭단을 추가적으로 배치하는 경우, 다소 비효율적인 증폭 성능이 나타날 수 있다. 또한. 출력을 증대시키기 위하여 시드레이저의 펄스에너지를 수십나노주울급으로 높여서 사용하는 경우, 커넥터 연결부에서 광손상이 발생할 수 있다.

본 발명은 커넥터 연결부의 손상 없이 높은 출력의 광섬유 시드 레이저와 높은 출력의 레이저 증폭기를 연결할 수 있는 광학 커플러 및 이를 포함하는 레이저 장치를 제공하는 데 있다.

일 예시에 따른 광학 커플러는, 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 제1 광섬유가 연결되는 제1페룰; 상기 제1페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제1렌즈; 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 제2 광섬유가 연결되는 제2페룰; 및 상기 제2페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제2렌즈;를 포함하며, 상기 제1 페룰의 중공 영역 및 상기 제2 페룰의 중공 영역에 공기가 배치될 수 있다.

상기 제1 페룰 및 상기 제2 페룰이 연장되는 방향을 따르는 상기 제1 페룰의 중공 영역의 길이 및 상기 제2 페룰의 중공 영역의 길이는, 상기 제1 광섬유에 구비된 제1 코어의 개구수(Numerical Aperture) 및 상기 제2 광섬유에 구비된 제2 코어의 개구수 각각에 따라 결정될 수 있다.

상기 제1 광섬유에 구비된 제1 코어의 개구수(Numerical Aperture) 및 상기 제2 광섬유에 구비된 제2 코어의 개구수가 0.03이상 0.22 이하일 수 있다.

상기 제1 페룰의 중공 영역의 길이 및 상기 제2 페룰의 중공 영역의 길이는 0.3mm 이상 10mm 이하일 수 있다.

상기 제1 페룰의 일 단부와 상기 제1 렌즈 사이의 이격거리 및 상기 제2 페룰의 일 단부와 상기 제2 렌즈 사이의 이격거리는 광의 초점이 형성되는 거리이거나 주평면(principle plane)이 렌즈 내부에 있는 경우엔 주평면까지의 거리일 수 있다.

상기 제1 렌즈 또는 상기 제2 렌즈는 볼 형상 또는 반 원기둥 또는 유사한 곡면 형상일 수 있다.

상기 제1 페룰의 일 단부는, 상기 제1 페룰의 일 단부에 연결되는 상기 제1 광섬유의 일 단부와 서로 대응되는 형상을 구비하며, 상기 제2 페룰의 일 단부는, 상기 제2 페룰의 일 단부에 연결되는 상기 제2 광섬유의 일 단부와 서로 대응되는 형상을 구비할 수 있다.

중공 형상의 관형 부재이며, 내부에 상기 제1 페룰 및 상기 제2 페룰을 지지하고, 상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부를 지지하는 렌즈 홀더부;를 더 포함할 수 있다.

상기 렌즈 홀더부는 상기 제1 페룰 및 상기 제2 페룰과 일체로 형성될 수 있다.

일 실시예에 따른 레이저 장치는, 시드 레이저를 출사하는 제1 광섬유를 구비하는 광섬유 시드 레이저; 상기 시드 레이저가 입사되는 제2 광섬유를 구비하며 상기 시드 레이저를 증폭하는 레이저 증폭기; 및 상기 광섬유 시드 레이저 및 상기 레이저 증폭기 사이에 배치되어 시드 레이저를 전달하는 광학 커플러를 포함하는 레이저 장치로서, 상기 광학 커플러는, 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 상기 제1 광섬유가 연결되는 제1페룰; 상기 제1페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제1렌즈; 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 상기 제2 광섬유가 연결되는 제2페룰; 및 상기 제2페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제2렌즈;를 포함하며, 상기 제1 페룰의 중공 영역 및 상기 제2 페룰의 중공 영역에 공기가 배치될 수 있다.

상기 광섬유 시드 레이저는 수십나노주울에서 수백나노주울 또는 그 이상인 범위의 고출력 초단펄스 시드 레이저를 출사할 수 있다.

상기 레이저 증폭기는 고출력 초단펄스 다이오드 펌핑 고체 레이저 증폭기일 수 있다.

상기 제1 페룰 및 상기 제2 페룰이 연장되는 방향을 따르는 상기 제1 페룰의 중공 영역의 길이 및 상기 제2 페룰의 중공 영역의 길이는 상기 제1 광섬유에 구비된 제1 코어 및 상기 상기 제2 광섬유에 구비된 제2 코어의 개구수(Numerical Aperture)에 따라 결정될 수 있다.

상기 제1 광섬유에 구비된 제1 코어 및 상기 제2 광섬유에 구비된 제2 코어의 개구수(Numerical Aperture)가 0.03이상 0.22 이하일 수 있다.

전술한 본 개시의 과제 해결 수단에 의하면, 높은 출력의 광섬유 시드 레이저와 높은 출력의 레이저 증폭기를 연결할 수 있으며, 이로 인해 발생될 수 있는 커넥터 단면 광손상(Connector End-Facet Optical Damage)을 방지할 수 있다.

또한, 광학 커플러에 코어부가 비어있는 페룰을 사용함으로써 높은 출력의 시드 레이저와 레이저 증폭기를 연결하는 경우에도 기구적 연결에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 광학 커플러를 구비한 레이저 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 부분 단면도이다.
도 4는 제1 페룰 코어부에 광섬유가 배치되고, 제1 페룰의 단부에 제1 광섬유가 결합되어 광이 연결된 경우의 커넥팅 단면부이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 부분 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 부분 단면도이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 광학 커플러를 구비한 레이저 장치의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 레이저 장치(1)는 광학 커플러(10)와 광학 커플러(10)에 의해 연결되는 광섬유 시드 레이저(20) 및 레이저 증폭기(30)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러(10)의 일 단부에 연결되는 광섬유 시드 레이저(20)는 수십 나노주울(several tens nJ)급의 고펄스에너지출력의 초단펄스 광섬유 시드 레이저일 수 있다. 이에 따라, 광섬유 시드 레이저(20) 후단에 별도의 레이저 증폭기(30)를 고체형 증폭기로 배치하지 않고서도 고출력의 레이저를 생산할 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러(10)에 연결되는 광섬유 시드 레이저(20)는 수나노주울(several nJ)급에서 수백나노주울급의 저출력 광섬유 시드 레이저이거나 그 밖에 광학 부재일 수도 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러(10)의 타 단부에 연결되는 레이저 증폭기(30)는 고출력 초단펄스 다이오드 펌핑 고체 레이저 증폭기일 수 있다. 일 예시에 따른 고출력 초단펄스 다이오드 펌핑 고체 레이저 증폭기를 구비하는 레이저 장치(1)는 고출력의 피코초 또는 펨토초 레이저를 생산할 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러(10)에 연결되는 레이저 증폭기(30)는 저출력 레이저 증폭기이거나 그 밖에 광학 부재일 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러(10)는 상술한 바와 같이 양 단부에 배치된 광학 부재, 예를 들어 광섬유 시드 레이저(20)와 레이저 증폭기(30)로부터 출사되는 광을 연결할 수 있는 광학 커넥터 부재이다. 이하에서는 광섬유로부터 출력되는 광신호를 렌즈를 통해 평행빔으로 성형하여 출력하는 송신부와 평행빔을 집광하여 광 신호를 광섬유에 커플링시키는 수신부를 구비함으로써, 고출력 광섬유 시드 레이저(20)와 레이저 증폭기(30)를 연결할 수 있는 빔확장형 비접촉식 광학 커플러(10)에 대해 보다 상세하게 서술한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러(10)는 광학 커플러(10)의 외형을 결정할 수 있는 하우징(11), 하우징(11) 내부에 배치되는 중공 형상의 슬리브(12), 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14)과 상기 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14) 사이에 배치되는 제1 렌즈(15) 및 제2 렌즈(16), 탄성 부재(17) 및 렌즈 홀더부(18)를 포함할 수 있다. 이때, 하우징(11)의 일 측부로부터 제1 렌즈(15) 사이의 구간 및 하우징(11)의 다른 측부로부터 제2 렌즈(16) 사이의 구간이 도 1에 도시된 광출력 커넥터(40)일 수 있다. 또한, 광학 커플러(10)는 중앙부에서 좌우로 분리가능하도록, 예를 들어 제1 렌즈(15)와 제2 렌즈(16) 사이에서 분리 가능하도록 형성될 수 있다. 일 예로서, 광학 커플러(10)의 하우징(11)이 제1 렌즈(15)와 제2 렌즈(16) 사이에서 분리 가능하도록 형성된 경우. 제1 렌즈(15)을 포함하는 제1 하우징부부와 제2 렌즈(16)를 포함하는 제2 하우징부는 탈착 가능하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하우징(11)은 광학 부재를 수용할 수 있는 수용부로서, 슬리브(12)가 배치되는 제1 영역(111) 및 탄성 부재(17)가 배치되는 제2 영역(112)을 포함할 수 있다. 일 예로서, 하우징(11)은 슬리브(12)가 안착되어 지지될 수 있도록 제1 영역(111)의 양단부에 서로 마주보도록 배치되는 제1 측벽(1101) 및 제2 측벽(1102)을 포함할 수 있다. 이에 따라 제1 측벽(1101) 및 제2 측벽(1102) 사이에 슬리브(12)가 안착 및 고정되도록 지지될 수 있다. 또한, 하우징(11)의 제2 영역(112)은 하우징의 제1 측부(114)와 제1 측벽(1101) 및 하우징의 제2 측부(115)와 제2 측벽(1102)에 의해 규정될 수 있다. 이때 탄성부재(17)는 하우징의 제1 측부(114)와 제1 측벽(1101) 사이 및 하우징의 제2 측부(115)와 제2 측벽(1102) 사이에 각각 배치될 수 있다. 또한, 하우징(11)의 양 측부(114, 115)에는 제1 및 제2 광섬유(200, 300)가 삽입될 수 있는 삽입부(116)가 배치될 수 있다.

슬리브(12)는 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재로서, 길이 방향을 따라 형성된 관통공을 구비할 수 있다. 일 예시에 따른, 슬리브(12)는 하우징(11)에 고정될 수 있으며, 이에 따라 슬리브(12) 내부에 배치된 제1 페룰(13), 제2 페룰(14) 및 렌즈 홀더부(18)를 지지하고, 광축(X)을 중심으로 제1 페룰(13), 제2 페룰(14) 및 렌즈 홀더부(18)의 상대적 위치 관계를 정렬시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 제1 페룰(13)은 슬리브(12)에 형성된 관통공의 내부에 배치되며, 일 단부에 제1 광섬유(200)가 연결될 수 있다. 일 예로서, 제1 페룰(13)은 길이 방향을 따라 제1 중공 영역(131)에 별도의 부재, 예를 들어 연결 광섬유 등이 배치되지 않은 중공(empty core) 형상의 관형 부재이다. 즉, 제1 페룰(13)의 제1 중공 영역(131) 내부에는 광섬유 등이 배치되지 않은 채, 공기가 배치되는 비어 있는 공간으로 유지될 수 있다. 따라서, 제1 광섬유(200)로부터 입사된 광은 다른 광섬유에 연결되지 않은 채, 제1 렌즈(15)로 바로 입사될 수 있으므로, 커넥터 연결부에서 통상 커넥터 양단면의 접촉식 연결방식에서 발생될 수 있는 커넥터단면 광손상(Connector End-Facet Optical Damage)이 발생되지 않는다.

또한, 일 실시예에 따른 제2 페룰(14)은 제1 페룰(13)과 소정의 간격을 사이에 두고 슬리브(12)에 형성된 관통공의 내부에 배치될 수 있다. 일 예시로서, 제2 페룰(14)의 일 단부에는 제2 광섬유(300)가 연결될 수 있으며, 제2 페룰(14) 또한, 길이 방향을 따라 제2 중공 영역(141)에 별도의 부재, 예를 들어 연결 광섬유 등이 배치되지 않은 중공 형상의 관형 부재일 수 있다. 제2 렌즈(16)로부터 입사된 광은 다른 광섬유에 연결되지 않은 채, 제2 광섬유(300)로 입사될 수 있으므로, 커넥터 연결부에서 통상 커넥터 양단면의 접촉식 연결방식에서 발생될 수 있는 커넥터단면 광손상(Connector End-Facet Optical Damage)이 발생되지 않는다. 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14)에서의 광학 연결관계는 도 3을 참조하여 보다 자세하게 서술한다.

일 실시예에 따른 제1 렌즈(15)는 렌즈 홀더부(18)에 지지된 채, 제1 페룰(13)의 일 단부로부터 제1 초점거리(D₁; 도 3 참조)만큼 이격된 거리에 배치될 수 있다. 일 예로서 제1 렌즈(15)는 볼 형상 또는 반 원기둥 또는 유사한 곡면 형상으로 마련될 수 있으며, 제1 렌즈(15)는 제1 페룰(13)을 통과하여 입사된 광을 평행광으로 굴절시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 제2 렌즈(16) 또한, 렌즈 홀더부(18)에 지지된 채, 제2 페룰(14)의 일 단부로부터 제2 초점거리(D₂; 도 3 참조)만큼 이격된 거리에 배치될 수 있다. 또한, 이때, 제2 렌즈(16)는 제1 렌즈(15)의 선단으로부터 평행거리(D₃; 도 3 참조)만큼 이격된 거리에 제1 렌즈(15)와 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 일 예로서 제2 렌즈(16)는 또한, 볼 형상 또는 반 원기둥 또는 유사한 곡면 형상으로 마련될 수 있으며, 제1 렌즈(15)로부터 입사된 평행광(L)을 굴절시켜 제2 페룰(14)로 입사시킬 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 렌즈(15) 및 제2 렌즈(16)사이에 대구경 빔직경을 사용하는 자유공간광접속(Free-Space Optical Connection)이 이루어지므로 광손상이 거의 발생되지 않을 수 있다. 또한, 일 예로서, 렌즈 홀더부(18)는 제1 페룰(13), 제2 페룰(14)과 일체로 형성되거나 분리된 구조로 형성될 수도 있다. 이때, 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14)의 내부는 중공 형상으로 마련되며, 중공 영역(131, 141)에 연결 광섬유 등이 배치되지 않으므로 렌즈 홀더부(18)와 일체로 제조하는 경우, 제조상의 자유도가 높을 수 있다. 제1 렌즈(15) 및 제2 렌즈(16)에서의 광학 연결관계는 도 3을 참조하여 보다 자세하게 서술한다.

일 실시예에 따른 탄성 부재(17)는 광학 커플러(10)에 연결되는 제1 광섬유(200) 및 제2 광섬유(300)에 탄성 압력을 적용시켜 제1 광섬유(200) 및 제2 광섬유(300)와 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14) 사이의 정렬 상태를 항상 일정하게 고정시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 부분 단면도이다.

도 4는 제1 페룰 코어부에 광섬유가 배치되고, 제1 페룰의 단부에 제1 광섬유가 결합되어 광이 연결된 경우의 커넥팅 단면부이다.

도 3을 참조하면, 제1 광섬유(200)는 광학 커플러(10)에 삽입되어 제1 페룰(13)의 일 단부에 일 단부가 지지되도록 배치될 수 있다. 이때, 제1 페룰(13)에 연결되는 제1 광섬유(200)는 제1 코어(210)를 중심으로 제1 코어(210)를 둘러싸는 제1 클래딩(220) 및 상기 제1 클래딩(220)을 둘러싸는 제2 클래딩(230)을 구비할 수 있다. 일 예로서, 제1 페룰(13)의 중공 영역의 길이(T)는, 제1 광섬유(200)에 구비된 제1 코어(210)의 개구수(Numerical Aperture)에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 코어(210)는 소정의 개구수, 예를 들어 0.03 내지 0.22일 수 있으며, 이때, 제1 페룰(13)의 중공 영역의 길이(T)는 수mm 범위, 예를 들어 0.3mm 내지 10mm 로 형성될 수 있다.

일 예로서, 제1 코어(210)를 통해 출사된 제1 광(L₁)은 자유 공간인 제1 페룰(13)의 코어부로 입사된다. 상술한 바와 같이, 제1 코어(210)의 개구수(Numerical Aperture)는 소정의 범위, 예를 들어 0.03 내지 0.22일 수 있으며, 이때, 제1 페룰(13)의 중공 영역의 길이(T)는 수mm 범위인 바, 실제로 제1 페룰(13)을 통과하는 제1광(L₁)의 직경은 수μm 내지 수십um 범위일 수 있다. 따라서, 제1 페룰(13)로 입사되는 제1 광(L₁)은 손실을 최소화한 채 제1 페룰(13)을 통과할 수 있다.

반면, 제1 페룰(13)의 코어부에 별도의 광섬유가 배치된 경우, 제1 광섬유(200)의 제1 코어(210)와 제1 페룰(13)의 코어부에 배치된 광섬유 사이에 접합이 발생되며, 상술한 접합면에서는 도 4에 도시된 바와 같은 커넥팅 단면 광손상(A)이 발생될 수 있다. 이와 같은 광 손상은 특히, 제1 페룰(13)로 입사되는 제1 광(L₁)의 출력이 수십나노주울(several tens nJ)급의 고출력 펄스에너지인 경우, 예를 들어 제1 광(L₁)의 출력이 10나노주울(nJ) 이상이고 1밀리주울(mJ) 이하인 고출력 시드 레이저로부터 출사된 광인 경우 발생될 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이 제1 페룰(13)의 코어부가 비어 있는 자유 공간인 경우, 고출력의 제1 광(L₁)으로부터 발생될 수 있는 커넥팅 단면의 광손상을 방지할 수 있다. 또한, 제1 광섬유(200)와 제1 렌즈(15) 사이에 제1 페룰(13)을 배치시키지 않는 경우와 비교하여, 제1 페룰(13)이 배치되고, 제1 광섬유(200)의 일 단부가 제1 페룰(13)의 일 단부에 배치됨으로써, 제1 광섬유(200)와 제1 렌즈(15) 사이의 위치를 보다 정밀하고 신뢰성 있게 정렬시킬 수 있다.

이후, 제1 페룰(13)을 통과한 제1 광(L₁)은 제1 초점 거리(D₁)만큼 이격된 거리에 배치된 제1 렌즈(15)로 입사될 수 있다. 제1 렌즈(15)로 입사된 제1 광(L₁)은 제1 렌즈(15)에 의해 평행광 형태의 제2 광(L₂)으로 굴절될 수 있다. 제2 광(L₂)은 제1 렌즈(15)로부터 출사되어 평행거리(D₃)만큼 이격된 위치에 배치된 제2 렌즈(16)로 입사될 수 있다. 제2 렌즈(16)로 입사된 평행광 형태의 제2광(L₂)은 제2 렌즈(16)에 의해 굴절되어 굴절광 형태의 제3 광(L₃)이 될 수 있다.

제3 광(L₃)은 제2 초점 거리(D₂)만큼 이격된 거리에 배치된 제2 렌즈(16)로 입사될 수 있다. 제2 렌즈(16)를 통과 한 제3 광(L₃)은 제2 페룰(14)로 진입할 수 있다. 일 예로서, 제2 페룰(14) 또한, 제1 페룰(13)과 같이 제2 페룰(14)의 중공 영역의 길이(T)는 수mm 범위, 예를 들어 0.3mm 내지 10mm 로 형성될 수 있으며, 이에 따라 제3 광(L₃)은 제2 광섬유(300)의 제2 코어(310)로 입사될 수 있다. 이때, 제2 페룰(14)의 코어부가 비어 있는 자유 공간이므로, 도 4b에 도시된 바와 같이 고출력 펄스에너지의 제3 광(L₃)으로부터 발생될 수 있는 커넥팅 단면의 광손상을 방지할 수 있음은 제1 페룰(13)과 동일하다. 더불어, 제2 페룰(14) 또한, 제1 페룰(13)과 같이 제2 광섬유(300)와 제2 렌즈(16) 사이의 위치를 보다 정밀하고 신뢰성 있게 정렬시킬 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 부분 단면도이다.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 제1 광섬유(200) 및 제2 광섬유(300)가 각각 연결되는 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14)의 코어부 즉, 중심부가 중공 영역(131, 141)으로 형성되어 있으며, 상기 중공 영역(131, 141) 내부에 기체 상태의 매질, 예를 들어 공기가 배치될 수 있다. 따라서, 제1 광섬유(200) 및 제2 광섬유(300)와 연결되는 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14)의 일 단부의 형상은 중심부에 연결 광섬유 등이 배치되어야 하는 종래의 커플러와는 다르게 보다 자유롭게 설계될 수 있다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 페룰(13)의 일 단부에는 변형된 가이드부 형상이 배치될 수 있다. 일 예로서, 제1 페룰(13)의 일단부에는 제1 단차부(132) 및 제2 단차부(133)가 배치될 수 있으며, 이에 따라 직경이 상이한 다양한 타입의 제1 광섬유(200)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이 제1 직경을 구비하는 제1 광섬유(200)가 제1 페룰(13)에 연결되는 경우, 제1 광섬유(200)의 일 단부는 제1 단차부(132)에 접합될 수 있다. 반면, 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 광섬유(200)가 제2 직경을 구비하는 경우, 제1 광섬유(200)의 일 단부는 제2 단차부(133)에 접합될 수 있다. 일 예로서, 제1 렌즈(15)의 초점 거리(D₁)는 도 5a에 도시된 바와 같이 제1 단차부(132)의 일 단부로부터 제1 렌즈(15)까지의 거리로 형성될 수 있다. 이때, 제2 단차부(133)의 일 단부로부터 제1 렌즈(15)까지의 거리는 제1 렌즈(15)의 초점 거리(D₁)에 대한 초점 심도(Depth of focus)를 고려하여 허용 오차 범위 내에서 결정될 수 있다. 또한, 제1 페룰(13)의 타 단부로부터 제1 단차부(132)의 일 단부까지의 제1 중공 영역의 길이(T₁) 및 제1 페룰(13)의 타 단부로부터 제2 단차부(133)의 일 단부까지의 제2 중공 영역의 길이(T₂)는 제1 단차부(132) 또는 제2 단차부(133)에 각각 접합되는 제1 광섬유(200)에 구비된 제1 코어(210)의 유형, 예를 들어 제1 코어(210)의 개구수에 따라 결정될 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 따른 제2 페룰(14) 또한, 일 단부에 변형된 가이드부 형상이 배치될 수 있다. 일 예로서, 제2 페룰(14)의 일단부에는 제1 단차부(142) 및 제2 단차부(143)가 배치될 수 있으며, 이에 따라 직경이 상이한 다양한 타입의 제2 광섬유(300)가 배치될 수 있다. 직경이 상이한 제2 광섬유(300)가 제2 페룰(14)의 제1 단차부(142) 및 제2 단차부(143)에 접합되는 것은 상술한 제1 광섬유(200)가 제1 페룰(13)의 제1 단차부(132) 및 제2 단차부(133)에 접합되는 것과 실질적으로 동일하므로 설명의 편의상 여기서는 서술을 생략한다. 상술한 실시예에서는 제1 및 제2 페룰(13, 14)의 일 단부에 형성될 수 있는 단차부를 2개로 한정하였으나, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 및 제2 페룰(13, 14)의 일 단부에 배치될 수 있는 단차부의 개수는 사용되는 광섬유의 유형에 따라 2개 이상일 수도 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 부분 단면도이다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 커플러의 개략적인 부분 단면도이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 페룰(13)의 일 단부에는 변형된 가이드부 형상이 배치될 수 있다. 일 예로서, 제1 페룰(13)의 일 단부에는 제1 페룰(13)의 연장 방향을 따라 직경이 증가하는 원뿔대 형상의 가이드부(134)가 배치될 수 있으며, 이에 따라 다양한 형상의 일 단부(201)를 구비한 제1 광섬유(200)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이 일 단부(201)에 제1 페룰(13)의 가이드부(134)와 대응되는 원뿔대 형상을 구비하는 제1 광섬유(200)가 접합될 수 있다. 이때, 원뿔대 형상을 구비하는 제1 광섬유(200)의 일 단부부는 제1 코어부(210)와 제1 및 제2 클래딩(220, 230)를 둘러싸는 외피부(240)일 수 있으며, 이에 따라 제1 코어부(210)에서 출사되는 광의 성능에 영향을 미치지 않을 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다. 상술한 바와 같이, 제1 페룰(13)의 가이드부(134)와 정합되는 형상을 제1 광섬유(200)의 일단부(201)가 구비함으로써, 제1 광섬유(200)와 제1 페룰(13) 사이의 연결 정확도가 보다 강화될 수 있다.

또한, 일 실시예에 따라 도 6b에 도시된 바와 같이 제1 광섬유(200)의 일 단부(201)가 상이한 형상을 구비하는 경우, 예를 들어, 제1 광섬유(200)에 마련된 제1 코어(210)과 제1 및 제2 클래딩(220, 230)의 직경이 보다 크게 마련될 수 있으며, 이 경우, 제1 광섬유(200)는 도 6a에 도시된 제1 광섬유(200)와는 상이한 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 하나의 페룰을 이용하여 다양한 유형의 광섬유를 커플링시킬 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이 제1 광섬유(200)가 배치되는 경우 도 6a에 도시된 경우와 달리, 제1 광섬유(200)의 일 단부는 제1 렌즈(15)에 보다 더욱 이격되도록 배치될 수도 있다. 이로 인한 초점 심도의 변화 및 제1 페룰의 중공 영역(131)의 길이 변화는 도 5a와 관련하여 서술한 내용과 실질적으로 동일하므로 설명의 편의상 여기서는 서술을 생략한다.

본 개시의 일 실시예에 따른 제2 페룰(14) 또한, 일 단부에 변형된 가이드부 형상이 배치될 수 있다. 일 예로서, 제2 페룰(14)의 일단부에는 가이드부(144)가 배치될 수 있으며, 이에 따라 다양한 타입의 제2 광섬유(300)가 제2 페룰(14)에 연결될 수 있다. 다양한 타입의 제2 광섬유(300)가 제2 페룰(14)의 가이드부(144)에 접합되는 것은 상술한 제1 광섬유(200)가 제1 페룰(13)의 가이드부(134)에 접합되는 것과 실질적으로 동일하므로 설명의 편의상 여기서는 서술을 생략한다.

상술한 실시예에서는 제1 및 제2 페룰(13, 14)의 일 단부에 형성될 수 있는 가이드부(134, 144)의 형상을 원뿔대 형상으로 마련하였으나, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로서, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14)의 일 단부에 마련된 가이드부(135, 145)의 형상은 반구 또는 유사한 곡면 형상으로 마련될 수도 있으며, 이때, 제1 및 제2 광섬유의 일 단부(201, 301)에는 상술한 가이드부(135, 145)와 정합될 수 있는 반구 또는 유사한 곡면 형상으로 마련될 수도 있으며, 이에 따라 제1 페룰(13) 및 제2 페룰(14)과 제1 광섬유(200) 및 제2 광섬유(300)의 연결 정확도가 더욱 강화될 수 있다..

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 … 레이저 장치 10… 광학 커플러
11 … 하우징 13, 14… 제1 및 제2 페룰
15, 16 … 제1 및 제2 렌즈 17… 탄성 부재
18 … 렌즈 홀더부 132, 133, 142, 143… 제1 및 제2 단차부
134, 135, 144, 145 … 가이드부 200, 300… 제1 및 제2 광섬유
131, 141… 중공 영역 L₁-L₃… 제1 광 내지 제3 광
D₁, D₂ … 제1 및 제2 렌즈의 초점거리 T… 중공 영역의 길이

Claims

일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 제1 광섬유가 연결되는 제1페룰;
상이한 직경을 구비하는 제1 광섬유의 일 단부에 대응되도록 상기 제1 페룰의 일 단부에 배치되는 복수 개의 단차부;
상기 제1페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제1렌즈;
일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 제2 광섬유가 연결되는 제2페룰;
상이한 직경을 구비하는 제2 광섬유의 일 단부에 대응되도록 상기 제2 페룰의 일 단부에 배치되는 복수 개의 단차부; 및
상기 제2페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제2렌즈;를 포함하며,
상기 제1 페룰의 중공 영역 및 상기 제2 페룰의 중공 영역에 공기가 배치되는,
광학 커플러.
제1 항에 있어서,
상기 제1 페룰 및 상기 제2 페룰이 연장되는 방향을 따르는 상기 제1 페룰의 중공 영역의 길이 및 상기 제2 페룰의 중공 영역의 길이는, 상기 제1 광섬유에 구비된 제1 코어의 개구수(Numerical Aperture) 및 상기 제2 광섬유에 구비된 제2 코어의 개구수 각각에 따라 결정되는,
광학 커플러.
제2 항에 있어서,
상기 제1 광섬유에 구비된 제1 코어의 개구수(Numerical Aperture) 및 상기 제2 광섬유에 구비된 제2 코어의 개구수가 0.03이상 0.22 이하인,
광학 커플러.
제3 항에 있어서,
상기 제1 페룰의 중공 영역의 길이 및 상기 제2 페룰의 중공 영역의 길이는 0.3mm 이상 10mm 이하인,
광학 커플러.
제1 항에 있어서,
상기 제1 페룰의 일 단부와 상기 제1 렌즈 사이의 이격거리 및 상기 제2 페룰의 일 단부와 상기 제2 렌즈 사이의 이격거리는 광의 초점이 형성되는 거리인,
광학 커플러.
제1 항에 있어서,
상기 제1 렌즈 또는 상기 제2 렌즈는 볼 형상 또는 반 원기둥 또는 유사한 곡면 형상인,
광학 커플러.
제1 항에 있어서,
상기 제1 페룰의 일 단부는, 상기 제1 페룰의 일 단부에 연결되는 상기 제1 광섬유의 일 단부와 서로 대응되는 형상을 구비하며, 상기 제2 페룰의 일 단부는, 상기 제2 페룰의 일 단부에 연결되는 상기 제2 광섬유의 일 단부와 서로 대응되는 형상을 구비하는,
광학 커플러.
제1 항에 있어서,
중공 형상의 관형 부재이며, 내부에 상기 제1 페룰 및 상기 제2 페룰을 지지하고, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈를 지지하는 렌즈 홀더부;를 더 포함하는,
광학 커플러.
제8 항에 있어서,
상기 렌즈 홀더부는 상기 제1 페룰 및 상기 제2 페룰과 일체로 형성되는,
광학 커플러.
제1 항에 있어서,
상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이가 분리되어 착탈 가능하도록 형성되는,
광학 커플러.
시드 레이저를 출사하는 제1 광섬유를 구비하는 광섬유 시드 레이저;
상기 시드 레이저가 입사되는 제2 광섬유를 구비하며 상기 시드 레이저를 증폭하는 레이저 증폭기; 및
상기 광섬유 시드 레이저 및 상기 레이저 증폭기 사이에 배치되어 시드 레이저를 전달하는 광학 커플러를 포함하는 레이저 장치로서,
상기 광학 커플러는,
일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 상기 제1 광섬유가 연결되는 제1페룰;
상이한 직경을 구비하는 제1 광섬유의 일 단부에 대응되도록 상기 제1 페룰의 일 단부에 배치되는 복수 개의 단차부;
상기 제1페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제1렌즈;
일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 관형 부재이며, 일 단부에 상기 제2 광섬유가 연결되는 제2페룰;
상이한 직경을 구비하는 제2 광섬유의 일 단부에 대응되도록 상기 제2 페룰의 일 단부에 배치되는 복수 개의 단차부; 및
상기 제2페룰의 타 단부로부터 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는 제2렌즈;를 포함하며,
상기 제1 페룰의 중공 영역 및 상기 제2 페룰의 중공 영역에 공기가 배치되는,
레이저 장치.
제11 항에 있어서,
상기 광섬유 시드 레이저는 10나노주울 내지 1밀리주울의 고출력 초단펄스 시드 레이저를 출사하는,
레이저 장치.
제12 항에 있어서,
상기 레이저 증폭기는 고출력 초단펄스 다이오드 펌핑 고체 레이저 증폭기인,
레이저 장치.
제11 항에 있어서,
상기 제1 페룰 및 상기 제2 페룰이 연장되는 방향을 따르는 상기 제1 페룰의 중공 영역의 길이 및 상기 제2 페룰의 중공 영역의 길이는 상기 제1 광섬유에 구비된 제1 코어 및 상기 상기 제2 광섬유에 구비된 제2 코어의 개구수(Numerical Aperture)에 따라 결정되는,
레이저 장치.
제14 항에 있어서,
상기 제1 광섬유에 구비된 제1 코어 및 상기 제2 광섬유에 구비된 제2 코어의 개구수(Numerical Aperture)가 0.03이상 0.22 이하인,
레이저 장치.
제15 항에 있어서,
상기 제1 페룰의 중공 영역의 길이 및 상기 제2 페룰의 중공 영역의 길이는 0.3mm 이상 10mm 이하인,
레이저 장치.
제11 항에 있어서,
상기 제1 페룰의 일 단부와 상기 제1 렌즈 사이의 이격거리 및 상기 제2 페룰의 일 단부와 상기 제2 렌즈 사이의 이격거리는 광의 초점이 형성되는 거리인,
레이저 장치.
제11 항에 있어서,
상기 제1 페룰의 일 단부는, 상기 제1 페룰의 일 단부에 연결되는 상기 제1 광섬유의 일 단부와 서로 대응되는 형상을 구비하며, 상기 제2 페룰의 일 단부는, 상기 제2 페룰의 일 단부에 연결되는 상기 제2 광섬유의 일 단부와 서로 대응되는 형상을 구비하는,
레이저 장치.