KR102029213B1

KR102029213B1 - 방사상 전파를 위한 광섬유 팁의 제조방법

Info

Publication number: KR102029213B1
Application number: KR1020170142681A
Authority: KR
Inventors: 박재돈; 유경식; 손경호; 정영호
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-10-07
Also published as: KR20190048126A

Abstract

본 발명은 플루오린화수소산 용액을 이용하여 방사상 전파를 위한 광섬유형 팁을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 코어, 상기 코어를 에워싸는 클래딩 및 상기 클래딩을 에워싸는 자켓을 구비하는 광섬유의 자켓을 제거하는 단계, 자켓이 제거된 광섬유의 일단을 플루오린화수소산 용액에 침지시키는 단계, 상기 자켓이 제거된 광섬유의 타단에 레이저빔을 인가하는 단계 및 상기 광섬유에 타단에 레이저빔을 인가하는 상태로, 상기 광섬유를 식각하는 단계를 포함하고, 상기 레이저빔을 인가하는 단계는, 상기 레이저빔이 상기 코어를 따라 상기 타단에서 상기 일단으로 전달되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 광섬유 팁의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 종래 강력한 파워의 펄스폭 탄산가스(CO2) 레이저를 광섬유 끝단에 잘 정렬한 뒤 방사하여 물리적으로 오목한 곡면을 만드는 방법(비특허문헌 0001)에 비해, 플루오린화수소산과 지속파(continuous wave) 레이저 광열효과를 이용하여 곡면을 만들 경우 코어영역과 클래딩 영역의 굴절률 차이에 의한 자기정렬(self align)을 통해 화학적 식각이 진행 되므로 제작이 비교적 손쉽고 저렴하게 가능하다.

Description

방사상 전파를 위한 광섬유 팁의 제조방법{FABRICATION METHOD OF MICRO-FIBER CONCAVE TIP FOR RADIAL WAVE PROPAGATION}

본 발명은 플루오린화수소산 용액을 이용하여 방사상 전파를 위한 광섬유형 팁을 제조하는 방법에 관한 것이다.

광섬유에서 진행하는 모드의 크기를 나타내는 여러 지표 중 많이 쓰이는 모드 필드 지름(mode field diameter, MFD)은 모드를 가우시안 빔(Gaussian beam)이라 가정하고, 이것의 가장 높은 세기(intensity)를 기준으로 1/e²(=0.1353)되는 부분(도 1 참조)의 직경을 의미한다.

MFD는 두 개의 광섬유를 서로 접속시킬 때, 광 손실을 최소화 시키기 위한 지표로 활용될 수 있다. 구체적으로, MFD가 같은 광섬유를 상호 접속시키는 경우, 광손실이 감소된다. 따라서, 두 개의 광섬유를 서로 접속시킬 때, 두 광섬유의 MFD를 일치시키는 것이 바람직하다.

MFD는 일반적으로 광섬유의 광 코어(core) 지름과 주변부의 클래딩(cladding)의 직경과 굴절률에 의해 결정된다. 일반적으로 광통신에서 많이 쓰이는 1550nm 대역 파장의 빛을 가이딩(guiding)해주는 광섬유의 경우 Corning사의 SMF-28이 가장 널리 알려져 있다. 이러한 1550nm 파장의 싱글모드 광섬유의 경우, 코어의 직경이 약 8.3㎛, 클래딩 직경이 약 125㎛로 규격화되어있다. 직경뿐만 아니라 굴절률(refractive index)의 경우에도 제조사마다 약간씩의 차이는 있지만 코어(core)와 클래딩(cladding)이 각각 대략 1.4504, 1.4447로 설정되어 있다.

위에서 제시한 SMF-28의 규격을 이용하여 Finite-difference time-domain (FDTD)와 같은 전산모사를 통해 얻은 가장 기본적인 모드인 HE₁₁ 모드(도 2 참조)의 경우 MFD가 대략 9.34㎛ 이었으며, SMF-28의 단면을 클리버(cleaver)를 이용해 평평하게 잘라 도 3 및 4와 같이 빔 프로파일러(beam profiler)를 이용하여 가우시안 빔(Gaussian beam)으로 가정한 뒤 간접적으로 MFD를 측정하였을 때 약 11.35㎛이었다.

한편, 광섬유의 MFD 값을 조절하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 광섬유를 이루는 코어 및 클래딩의 굴절률은 물질 고유의 성질이기 때문에 조절이 어려우며, 코어 및 클래딩의 직경 또한 광섬유 제조 시 결정되는 것이기 때문에 조절이 어렵다. 광섬유 말단의 표면을 특정 형태로 가공할 경우, MFD 값을 조절할 수는 있지만, 광섬유의 두께가 매우 얇기 때문에 광섬유 표면을 물리적으로 가공하는 것은 사실상 어려운 실정이며, 매우 고가의 장비가 필요하다는 문제가 있다.

Hunger, David, et al. "Laser micro-fabrication of concave, low-roughness features in silica." AIP Advances 2.1 (2012): 012119.

본 발명은 플루오린화수소산 용액을 이용하여 광섬유의 MFD 값을 조절하는 광섬유 팁의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명은 광섬유 말단을 오목하게 식각할 수 있도록 하는 광섬유 팁의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 코어, 상기 코어를 에워싸는 클래딩 및 상기 클래딩을 에워싸는 자켓을 구비하는 광섬유의 자켓을 제거하는 단계, 자켓이 제거된 광섬유의 일단을 플루오린화수소산 용액에 침지시키는 단계, 상기 자켓이 제거된 광섬유의 타단에 레이저빔을 인가하는 단계 및 상기 광섬유의 타단에 레이저빔을 인가하는 상태로, 상기 광섬유를 식각하는 단계를 포함하고, 상기 레이저빔을 인가하는 단계는, 상기 레이저빔이 상기 코어를 따라 상기 타단에서 상기 일단으로 전달되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 광섬유 팁의 제조방법을 제공한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 일단에서 코어의 굴절률이 클래딩보다 높기에 상기 코어가 식각되는 속도는 상기 클래딩이 식각되는 속도보다 빠를 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 단일모드 광섬유에 하나의 모드만을 여기시키는 파장 영역의 상기 레이저빔을 인가하는 단계는, 상기 일단에 전달되는 레이저빔이 가우시안 분포를 갖는 모드 때문에 상기 코어에 집중되도록 수행될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 레이저빔은 상기 광섬유가 단일 모드로 가이딩 가능한 파장 영역 대의 빛을 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 레이저빔을 이루는 빛의 파장은 1520 내지 1700nm일 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래 강력한 파워의 펄스폭 탄산가스(CO₂) 레이저를 광섬유 끝단에 잘 정렬한 뒤 직접 방사하여 물리적인 삭마(ablation) 과정으로 오목한 곡면을 만드는 방법(비특허문헌 0001)에 비해, 플루오린화수소산과 지속파(continuous wave) 레이저 광열효과를 이용하여 곡면을 만들 경우 코어영역과 클래딩 영역의 굴절률 차이에 의한 자기정렬(self align)을 통해 화학적 식각이 진행되므로 제작이 비교적 손쉽고 저렴하게 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 식각 용액과 인가한 광 파워의 조절을 통해 다양한 곡률 반경을 얻을 수 있으며 이를 통한 MFD의 변화를 예측할 수 있다.

도 1은 MFD 산출 방법을 나타내는 그래프이다.
도 2는 SMF-28 광섬유에 대한 광 모드 분포 가장 기본(Fundamental) 모드인 HE₁₁ 모드의 세기(intensity) 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3은 자켓이 제거된 SMF-28 광섬유의 사진이다.
도 4는 도 3에서 설명한 광섬유에 1550nm 파장의 레이저 빔을 인가하였을 때, 광섬유의 일단에서 방출되는 빛의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 팁의 제조방법을 나타내는 그래프이다.
도 6 및 7은 본 발명에 따른 광섬유 팁의 제조방법에 사용되는 광섬유의 고정수단을 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 광섬유 팁의 사진들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 광섬유 팁의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에서는 코어, 상기 코어를 에워싸는 클래딩 및 상기 클래딩을 에워싸는 자켓을 구비하는 광섬유의 자켓을 제거하는 단계가 진행된다.

본 발명에서는 광섬유의 말단을 플루오린화수소산 용액 침지시키기 때문에 플루오린화수소산 용액에 침지되는 영역의 자켓이 제거되어야 한다.

여기서, 상기 광섬유는 시중에 판매되는 광섬유일 수 있다. 예를 들어, 상기 광섬유는 SMF-28 광섬유일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 본 발명에 따른 제조방법은 코어 및 클래딩을 포함하는 가우시안 분포의 단일모드를 가이딩(guiding)하는 모든 광섬유에 적용될 수 있다.

다음으로, 자켓이 제거된 광섬유의 일단을 플루오린화수소산 용액에 침지시키는 단계가 진행된다.

상기 광섬유는 도 6 및 7에 도시된 고정수단에 고정되어 플루오린화수소산 용액에 침지될 수 있다. 다만, 반드시 도 6 및 7에 도시된 고정수단을 사용할 필요는 없으며, 광섬유가 흔들림 없이 일정한 깊이로 플루오린화수소산 용액에 침지되기만 하면 된다.

자켓이 제거된 광섬유를 플루오린화수소산 용액에 침지시키는 경우, 상기 코어 및 클래딩이 식각된다. 본 발명은 상기 코어 및 클래딩 각각의 식각 속도를 조절하여 오목한 식각면을 형성한다.

이를 위해, 상기 자켓이 제거된 광섬유의 타단에 레이저빔을 인가하는 단계가 진행된다.

여기서, 상기 레이저빔을 이루는 빛의 파장은 상기 광섬유의 특성에 따라 달라질 수 있다. 상기 광섬유의 타단으로 인가된 레이저빔은 상기 코어를 따라 상기 광섬유의 타단에서 상기 광섬유의 일단으로 전달되어야 한다.

상기 광섬유의 일단으로 전달된 레이저빔은 상기 괌섬유의 일단에서 열을 발생시켜 식각을 촉진 시킨다. 본 발명은 상기 레이저빔에 의해 발생되는 열이 상기 코어에 집중되도록 함으로써, 상기 코어에 대한 식각 속도가 상기 클래딩에 대한 식각 속도보다 빨라지도록 할 수 있다.

이를 위해, 상기 레이저빔을 인가하는 단계는 상기 일단에 전달되는 레이저빔이 상기 코어에 집중되도록 수행되어야 한다. 구체적으로, 상기 레이저빔이 상기 코어에 집중되도록 하기 위해서는, 상기 레이저빔이 상기 광섬유가 단일 모드로 가이딩 가능한 파장 영역 대의 빛을 포함해야 한다. 이러한 경우, 상기 광섬유의 타단으로 인가된 레이저빔은 코어의 중심부에 빛의 세기가 집중되어 진행하는 단일모드로 빔의 모양이 정해지고 광섬유 내에서 전반사를 통해 상기 광섬유의 일단으로 전달되며, 상기 코어에 집중된다.

예를 들어, SMF-28 광섬유를 식각하는 경우, 실제 광통신에 활용되는 1300 내지 1700nm의 파장의 빛으로 이루어지는 레이저빔을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 1550nm 파장의 빛을 포함하는 레이저빔을 사용하는 것이 좋다.

마지막으로, 상기 광섬유의 타단에 레이저빔을 인가하는 상태로, 상기 광섬유를 식각하는 단계가 진행된다.

도 5와 같이, 상기 광섬유의 타단에 레이저빔을 인가하는 상태로 상기 광섬유를 플루오린화수소산 용액에 침지시키는 경우, 상기 코어가 상기 클래딩보다 빠르게 식각됨에 따라 상기 광섬유의 일단이 오목하게 변화한다.

상기 광섬유의 타단에 인가되는 레이저빔의 출력 및 상기 광섬유를 플루오린화수소산 용액에 침지시키는 시간을 조절하여 상기 광섬유의 일단에 형성되는 곡면의 곡률반경을 제어할 수 있다.

이하에서는, 실시 예 및 실험 예들을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만, 후술할 실시 예 및 실험 예들에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석되지 않는다.

SMF-28 광섬유 클래딩 영역 외부의 모든 자켓을 제거한 상태에서 플루오린화수소산 용액(49%)에 담가 식각을 진행하고 광섬유 코어 부분과 클래딩 부분의 굴절률 차에 의해 식각되는 정도가 다른 점을 확인하였다.

구체적으로, SMF-28 광섬유에 잘 맞는 1550 nm 파장의 레이저빔을 인가하고 파워를 조절해가며 5분 간격으로 25분까지 광섬유의 말단의 형상을 확인하였다. 레이저 파워의 경우엔 0 (off state), 1, 5, 10, 18 mW를 이용하였다. 이후, 식각 결과물들의 곡률 반경을 광학 현미경을 통해 측정하였다. 도 8에 상술한 식각 결과물들의 사진 및 식각 결과물에 형성된 곡면의 곡률 반경을 함께 표시하였다. 도 8을 참조하면, 레이저빔의 출력 및 식각 시간을 조절하면 식각면의 곡률 반경을 조절할 수 있다는 사실을 알 수 있다.

한편, 빔 프로파일러를 통해 간접적으로 MFD를 계산한 결과 인가한 광 파워가 0 mW, 식각 시간이 5분일 경우 MFD가 3.26㎛이었고, 인가한 광 파워가 10 mW, 식각 시간이 5분일 경우 MFD가 2.78㎛이었다. 이를 통해, 상기 광섬유 말단에 형성된 곡면의 곡률반경이 작을수록 MFD가 작은 것을 확인할 수 있었다.

상기 실험 결과를 종합하면, 레이저빔의 출력 및 식각 시간을 조절함으로써 광섬유의 MFD 값을 조절할 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명에 따르면, 종래 강력한 파워의 펄스폭 탄산가스(CO2) 레이저를 광섬유 끝단에 잘 정렬한 뒤 방사하여 물리적으로 오목한 곡면을 만드는 방법(비특허문헌 0001)에 비해, 플루오린화수소산과 지속파(continuous wave) 레이저 광열효과를 이용하여 곡면을 만들 경우 코어영역과 클래딩 영역의 굴절률 차이에 의한 자기정렬(self align)을 통해 화학적 식각이 진행되므로 제작이 비교적 손쉽고 저렴하게 가능하다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

코어, 상기 코어를 에워싸는 클래딩 및 상기 클래딩을 에워싸는 자켓을 구비하는 광섬유의 자켓을 제거하는 단계;
자켓이 제거된 광섬유의 일단을 플루오린화수소산 용액에 침지시키는 단계;
상기 자켓이 제거된 광섬유의 타단에 레이저빔을 인가하는 단계; 및
상기 광섬유의 타단에 레이저빔을 인가하는 상태로, 상기 광섬유를 식각하는 단계를 포함하고,
상기 레이저빔을 인가하는 단계는,
상기 레이저빔이 상기 코어를 따라 상기 타단에서 상기 일단으로 전달되도록 수행되고,
상기 레이저빔은,
상기 광섬유가 단일 모드로 가이딩 가능한 파장 영역 대의 빛을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 팁의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 일단에서 상기 코어가 식각되는 속도는 상기 클래딩이 식각되는 속도보다 빠른 것을 특징으로 하는 광섬유 팁의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 레이저빔을 인가하는 단계는,
상기 일단에 전달되는 레이저빔이 상기 코어에 집중되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 광섬유 팁의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 레이저빔을 이루는 빛의 파장은,
1520 내지 1700nm인 것을 특징으로 하는 광섬유 팁의 제조방법.