KR102080301B1 - 모드 선택 결합기，이를 이용한 광섬유의 결합 방법 및 복수의 모드 선택 결합기를 구비한 통신 수단 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 굴절율이 다른 일부를 포함하는 제1 광섬유; 제2 광섬유; 및 상기 제1광섬유의 유효굴절율이 다른 일부를 수용하는 홈을 구비한 제1 몸체와 제2 광섬유의 일부를 수용하는 홈을 구비한 제2 몸체를 포함하는 결합체를 포함하고, 상기 제1 광섬유의 유효굴절율이 다른 일부는 일정한 광 전파모드에서 상기 제2 광섬유의 유효굴절율과 실질적으로 동일하고, 상기 결합체에 수용되는 상기 제1광섬유의 일부와 상기 제2광섬유의 일부의 적어도 하나는 모드변환이 용이하도록 클래딩의 일부가 제거된 모드 선택 결합기를 제공한다. 또한, 본 발명은 이 모드 선택 결합기를 이용한 광섬유의 결합 방법과 모드 선택 결합기를 복수개 연결한 통신 수단을 제공한다.

Description

모드 선택 결합기，이를 이용한 광섬유의 결합 방법 및 복수의 모드 선택 결합기를 구비한 통신 수단 {Mode selective coupler, method for coupling optic fiber by using the same and communication means comprising a plurality of mode selective couplers}

본 발명은 모드 선택 결합기, 이를 이용한 광섬유의 결합 방법 및 복수의 모드 선택 결합기를 구비한 통신 수단에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 다중 모드 광섬유들 사이 또는 단일 모드 광섬유와 다중 모드 광섬유 사이의 모드를 결합하기 위하여 테이퍼-연마 방식을 사용하여 유효 굴절율이 서로 다른 모드를 가진 광섬유들 사이에 위상 정합이 가능하도록 한 모드 선택 결합기, 이를 이용한 광섬유의 결합 방법 및 복수의 모드 선택 결합기를 구비한 통신 수단에 관한 것이다.

광은 광섬유의 유효굴절율에 따라 그 내부를 일정한 전파상수를 가진 모드로 광섬유 내부를 도파하는데, 광이 하나의 모드로만 진행할 수 있는 단일 모드 광섬유(SMF; Single mode fiber)와 광이 여러 모드로 진행할 수 있는 다중 모드 광섬유(FMF; Few mode fiber)가 있다.

스텝 굴절형 광섬유의 경우 헬름홀쯔(Helmholtz) 방정식으로부터 광섬유의 정규 주파수(V)는 다음과 같이 유도된다.

a는 코어의 반경, λ는 파장, n_co와 n_cl 은 각각 코어와 클래딩의 굴절율, Δ는 코어와 클래딩의 굴절율 차이를 나타낸다.

광섬유의 코어 내부를 진행할 수 있는 광의 모드는 광섬유의 정규주파수(V)에 의해 결정되며, 클래딩이 무한으로 가정한 경우 V < 2.405에서 광이 광섬유 코어 내부에서 하나의 모드로 진행하고, 단일 모드 광섬유가 된다.

2.405 < V < 3.83에서는 맥스웰 방정식에서 유도되는 전기장, 자기장의 성분 모드가 단일 모드 광섬유에 비하여 세 개(HE₂₁, TE, TM 모드) 더 존재한다. 단일 모드인 LP₀₁ 이외에 HE₂₁, TE, TM 모드를 적당히 조합하면, 선편광 모드로 나타낼 수 있으며, 이를 선편광(LP : Linearly polarized) 모드로 나타내면 LP₀₁, LP₁₁이 된다. 이 영역의 정규주파수(V)를 가지고 있는 광섬유를 이중 모드 광섬유(TMF; Two mode fiber)라고 한다.

3.83 < V < 5.14에서는 마찬가지로 이중 모드 광섬유(TMF)에 비하여 성분 모드가 세 개 더 있고, 선편광(LP)모드 근사를 하였을 때 LP_{02 ,} LP₂₁가 추가로 존재한다. 이 영역 이상의 정규주파수(V)를 가지고 있는 광섬유를 고차 모드 광섬유로 부르기도 한다. 정규 주파수는 광섬유의 파장과 굴절율에 따라 변하므로, 광섬유 선택과 조건에 따라 코어와 클래딩을 전파하는 모드가 달라지게 되며, 이는 모드 결합의 주요한 동기가 되고 있다.

한편, 광섬유의 모드 결합 방법에는 용융형 모드 선택 결합과 연마형 모드 선택 결합이 있다.

용융형 모드 선택 결합기(FMSC: Fused type mode selective coupler)에는 한 광 섬유의 LP₀₁모드와 다른 광섬유의 고차 모드 사이에 모드 결합을 일으키는 모드 분할 방향성 결합기가 있다. 가령 모드 선택 결합기(MSC) 중 하나인 LP₁₁ 모드 선택 결합기(MSC)는 LP₀₁ 모드가 고차모드인 LP₁₁모드로 변환하는 모드 선택 결합기(MSC)를 의미하며, 이중 모드 광섬유(TMF)와 단일 모드 광섬유(SMF)를 사용하여 제작하는 것이 알려져 있다.

모드의 특성 중 하나인 모드의 전파상수(propagation constant) β는 그 모드의 유효굴절율 n_eff와 다음의 수학식 2와 같은 관계에 있으므로 이중 모드 광섬유의 LP₁₁모드와 단일 모드 광섬유의 LP₀₁모드의 유효굴절율이 같아야 위상 정합 조건을 만족하여 높은 성능을 얻을 수 있다.

또, 모드 선택 결합기의 성능은 크게 두 가지 변수로 표현할 수 있다. 첫째는 모드 결합률(Mode coupling efficiency)로서, 이는 단일 모드 광섬유(SMF)로 입사된 LP₀₁모드 중 이중 모드 광섬유(TMF)의 LP₁₁모드로 모드 결합된 파워의 비율을 나타낸다. P₀를 LP₀₁모드의 파워, P₁을 모드 결합된 LP₁₁모드의 파워라고 할 때 모드 결합율(C)은 다음 수학식3로 정의된다.

다른 하나는 모드 소거율(Mode extinction ratio)이다. 모드 선택 결합기(MSC)가 제작되면 단일 모드 광섬유의 LP₀₁모드와 이중 모드 광섬유의 LP₀₁ 모드 사이에도 소량의 모드 결합이 이루어진다. 이중 모드 광섬유의 LP₀₁모드는 이중 모드 광섬유 응용에서 소자의 성능을 저하시키므로 이중 모드 광섬유의 LP₀₁ 모드 결합은 작을 수록 좋다. P₂를 모드 결합된 이중 모드 광섬유의 LP₀₁ 모드 파워라고 할 때에 모드 소거율(D)은 다음 수학식4로 정의된다.

모드 결합률과 모드 소거율 모두 그 값이 클수록 좋은 성능을 의미하며, 일반적인 경우 모드 결합률 약 80%,거율 10dB 이상으로 제작한다.

이상의 모드의 정합조건, 특성과 성능은 다른 모드 결합간은 물론 연마형 모드 선택 결합의 평가에도 적용된다.

한편, 연마형 모드 선택 결합기는 적은 삽입 손실과 높은 모드 결합률 및 모드 소거율을 얻을 수 있으며, 모드 결합이 일어나는 길이가 짧기 때문에(약 1 mm) 넓은 파장 영역에서 사용할 수 있는 장점이 있다.

종래 기술에 따른 연마형 모드 선택 결합기는 상하 석영(Quartz) 블록에 에폭시를 발라 단일 모드 광섬유와 이중 모드 광섬유의 클래딩 일부분을 연마하여, 심겨진 광섬유의 코어간 간격이 수 μm가 되게 조절하여 제작하는 것이다.

이러한 연마형 모드 선택 결합기를 제작하기 위해서는 우선 여러 종류 광섬유들의 각 모드의 유효굴절율을 실제로 측정한 데이터를 미리 가지고 있어야 한다.

가령, 모드 결합이 일어나는 길이를 대략 1mm로 가정할 때, 1550nm 파장 영역에서 두 모드의 유효굴절율 차이가 약 8× 10^-5 이내면 99%, 3× 10^-4면 90%, 4× 10^{- 4} 에서 80%가량의 최대 모드 결합율을 얻을 수 있다. 이론적으로는 결합되는 두 모드의 유효굴절율이 일치하는 위상 정합 조건을 만족하는 두 광 섬유를 사용하여 모드 선택 결합기를 제작하면, 손실을 제외하고 100%의 모드결합율을 얻는다.

그런데, 종래의 연마형 모드 선택 결합기의 경우, 모드 결합률이 최소 조건을 넘도록 결합 가능한 한 쌍의 섬유(SMF, TMF)를 우연히 발견하거나, 유효굴절율 차이가 없거나 임계치 미만이라고 이미 알려진 한 쌍의 섬유(SMF,TMF)를 결속할 때 사용 가능하다는 한계가 있었다.

이러한 단점을 개선하고 용융형 모드 선택 결합기를 구체화한 것이 본 출원인에 의한 한국특허공개번호 특2001-0084624호이다. 이 특허는 한 종류의 이중 모드 광섬유를 사용하되, 화학적 에칭을 통해 클래딩 직경을 줄인 것과, 열을 가해 테이퍼하여 코어와 클래딩 직경을 함께 줄인 것을 모드 선택 결합기의 양팔(arm)로 사용하여 열을 가해 용융 접합 후 인장하는 것을 특징으로 하는 것으로, 용융형 모드 선택 결합에 속한다.

여기서 광섬유 “테이퍼”는 광섬유의 특정 부분에 열을 가해 녹이면서 서서히 인장하여 그 직경을 가늘게 한 것을 의미한다. 광섬유가 테이퍼 되면 광섬유의 코어와 클래딩이 같은 비율로 작아지면서 그 속을 진행하는 여러 모드들의 전파 상수가 변하게 된다. 가령, 도1에서 모드 결합이 일어나는 영역은 테이퍼의 직선형 허리(Tw)와 지수함수 형상의 전이부(Z₀,Z₀)로서 단일 모드 광섬유(20‘)가 용융 접합되고 테이퍼되는 부분(PQ)이다. 이 부분의 광섬유는 유효굴절율이 달라지므로 진행하는 광의 모드가 변화된다.

상기 특허는 용융형 모드 선택 결합기를 제작하는 예에 있어 테이퍼된 이중 모드 광섬유와 클래딩 에칭된 이중 모드 광섬유를 사용하고, 테이퍼 직경에 따른 각 모드(LP₀₁, LP₁₁, LP₀₂)의 유효굴절율을 토대로, LP₁₁모드와 LP₀₁모드 사이에 위상 정합 조건을 만족하는 이중 모드 광섬유와 이중 모드 광섬유 테이퍼의 직경의 이론값, 이중 모드 광섬유의 LP₀₂모드와 이중 모드 광섬유 테이퍼의 LP₀₁모드 사이에 위상 정합 조건을 만족하는 광섬유 직경의 이론값을 구하고 있다. 그리하여 제1 이중 모드 광섬유는 약2cm가량의 재킷을 벗긴 후 그 부분을 클래딩 직경 30μm로 테이퍼하고, 제2 이중 모드 광섬유는 약2cm 가량의 재킷을 벗긴 후 그 부분을 클래딩 직경 50μm로 에칭하여 이중 모드 광섬유 간을 용융 인장 결합함으로써 92%의 모드 결합율을 얻은 예를 보이고 있다.

그런데 상기 특허는 이중 모드 광섬유 간의 모드 결합에 제한한 실례로서, 더 고차의 모드 결합으로 결합 가능한 예를 확대하지 못하고 있다. 또 화학적 에칭을 통해 광섬유를 식각하는 것은 클래딩 모드로 진입하는 고차 모드간의 굴절율을 식별하기 위해 필요한 것이나 식각 작업이 복잡하고 제조가 어려운 단점이 있다. 즉, 에칭의 경우 1시간당 수~ 수십μm 정도 광섬유의 지름이 감소하도록 하는데, 에칭 용액의 농도와 식각하는 동안 광섬유 부위에 산재한 용액의 농도가 상이하여 정확도가 떨어지는 문제가 있다. 이러한 문제로 상기 특허의 용융형 모드 선택 결합기는 이중 모드 광섬유 사이의 결합에 한정하더라도 생산 수율이 높지 않은 단점이 있다.

공간 분할 다중화(Space division multiplexing)는 현재의 통신 용량 한계를 극복할 수 있는 잠재적인 후보로 주의를 끌고 있으며, 다중 모드 광섬유에 대한 모드 분할 다중화가 중요한 접근 방법의 하나이다. 다중 모드 광섬유의 고차원 모드를 이용하기 위하여는 효율적이고 광폭의 밴드 모드 변환 기능을 구비하는 광학장치가 다중 입력-다중 출력 신호 처리를 위하여 필수적이다.

본 발명은 모드 결합의 제한을 극복하기 위하여, 테이퍼-연마법(Taper-polish)으로 제작한 모드 선택 결합기와, 이러한 모드 선택 결합기에 의하여 다중 모드 광섬유들 사이 또는 단일 모드 광섬유와 다중 모드 광섬유 사이의 모드를 결합하는 결합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명은 광섬유의 생산 수율을 향상시킨 모드 선택 결합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 모드 선택 결합기들을 접합(Splicing)하여 캐스케이드(Cascade)방식으로 만든 고차원 모드 선택 결합기를 이용한 통신 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 하나의 광 전파모드에서 유효굴절율이 다른 일부를 포함하는 제1 광섬유; 제2 광섬유; 및 상기 제1 광섬유의 유효굴절율이 다른 일부를 수용하는 홈을 구비한 제1 몸체와 제2 광섬유의 일부를 수용하는 홈을 구비한 제2 몸체를 포함하는 결합체를 포함하고, 상기 제1 광섬유의 유효굴절율이 다른 일부는 일정한 광 전파모드에서 상기 제2 광섬유의 유효굴절율과 실질적으로 동일하고, 상기 결합체에 수용되는 상기 제1 광섬유의 일부와 상기 제2 광섬유의 일부의 적어도 하나는 모드 변환이 용이하도록 클래딩의 일부가 제거된 모드 선택 결합기를 제공한다.

여기서, 제1 광섬유의 일부의 유효굴절율과 상기 제2 광섬유의 유효굴절률의 차이는 10^-4 ~ 4× 10^{- 4} 인 것이 바람직하다.

또, 제1 광섬유와 제2 광섬유 중 적어도 하나는 다중 모드 광섬유인 것이 바람직하다.

또, 상기 다중 모드 광섬유는 적어도 LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂모드중 어느 하나를 포함하는 광섬유인 것이 바람직하다.

나아가 본 발명은 하나의 광 전파모드에서 유효굴절율이 다른 일부를 포함하는 제1 광섬유를 준비하는 단계; 일정한 광 전파모드에서 상기 제1 광섬유의 다른 일부의 유효 굴절율과 실질적으로 동일한 유효 굴절율을 가지는 제2 광섬유를 준비하는 단계; 상기 제1광섬유의 유효굴절율이 다른 일부를 수용하는 홈을 구비한 제1 몸체와 제2 광섬유의 일부를 수용하는 홈을 구비한 제2 몸체를 포함하는 결합체를 준비하는 단계; 및 상기 결합체에 수용되는 상기 제1광섬유의 일부와 상기 제2광섬유의 일부의 적어도 하나를 모드 변환이 용이하도록 클래딩의 일부를 제거하는 단계로 이루어진 모드 선택 결합 방법을 제공한다.

나아가 본 발명은, 결합체에 수용되는 상기 제1 광섬유의 일부와 상기 제2 광섬유의 일부의 적어도 하나는 모드 변환이 용이하도록 클래딩의 일부가 제거된 모드 선택 결합기를 적어도 두 개 이상 연결 접속한 캐스케이드형 결합기를 구비하는 통신 수단을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이드형 결합기는 하나 이상의 테이퍼-연마형 모드 선택 결합기를 복수 개 접합 연결, 완성한 일체형의 결합기로서 고차 모드의 복수 모드가 출력된다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.

첫째, 종래의 연마형 모드 결합기는 유효정합조건이 맞는 단일 모드 광섬유와 이중 모드 광섬유에 한정되었으나, 본 발명은 단일 모드 광섬유와 다중 모드 광섬유 또는 다중 모드 광섬유들을 결합할 수 있는 고차 모드 결합까지 확장하였다.

둘째, 본 발명에 따르면, 종래의 용융형 모드 선택 결합기에 비하여 모드 결합 공정을 단순화하고 모드 선택 결합기의 생산 수율을 높일 수 있다.

셋째, 본 발명에 따르면, 테이퍼에 이은 연마형 모드 결합으로 모드 결합률과 모드 소거율을 향상시킬 수 있고, 모드 결합 작업의 신속성과 경제성을 도모할 수 있다.

넷째, 본 발명에 따른 모드 선택 결합기는 고차 모드 광섬유의 모든 모드를 출력할 수 있으므로, 본 발명은 모드 선택 결합기를 복수로 연결하여 여러 모드의 광을 출력할 수 있는 모드 선택 결합 시스템을 구축할 수 있다.

이상 기술한 본 발명의 효과는 대표적인 것만을 열거한 것이며, 본 발명의 우월한 효과는 이에 국한되지 않음은 자명하다.

도1은 테이퍼된 광섬유의 개념도이다.
도2a는 다중 모드 섬유 또는 단일 모드 섬유에서 들어오는 LP₀₁모드 신호가 모드 선택 결합기를 거치면서 다중 모드 섬유의 LP₀₁모드 또는 LP_nm모드로 전환함을 보이는 모드 선택 결합기의 작용을 나타내는 개념도이다.
도2b는 고차원 및 LP₀₁모드의 신호를 각각 상이한 출력 포트의 LP₀₁신호로 분리하는 모드 선택 결합기의 작용을 나타내는 개념도이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 모드 및 단일 모드 섬유의 테이퍼 직경에 따른 각 모드의 유효굴절율 변화를 나타내는 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마형 모드 선택 결합기의 사시도이다.
도5는 다중 모드 광섬유의 팔에서 바라 본 원거리 모드의 패턴으로서 도5(a)는 LP₁₁, 도5(b)는 LP₂₁, 도5(c)는 LP₀₂를 나타낸다.
도6은 LP₁₁ 모드 선택 결합기(MSC), LP₂₁ 모드 선택 결합기(MSC), LP₀₂ 모드 선택 결합기(MSC) 각각에서 단일 모드 광섬유의 LP₀₁모드와 결합한 후, 이들을 직렬 연결하여 구성한 캐스케이드형 모드 선택 결합기(MSC)를 도시한 개념도이다.

본 발명의 모드 선택 결합기는 방향성 결합기로서, 단일 모드 광섬유의 LP₀₁ 모드와 이중 모드 광섬유의 모드 사이 또는 다중 모드 광섬유의 고차원 모드 사이의 모드 결합을 제공한다.

도2는 다중 모드 섬유의 모드 선택 결합기의 작용을 개괄적으로 보여 준다. 도2(a)에 도시한 것처럼 다중 모드 섬유 또는 단일 모드 섬유에서 들어오는 LP₀₁ 모드 신호가 모드 선택 결합기를 거치면서 다중 모드 섬유의 LP₀₁모드 또는 LP_nm모드로 전환하거나, 도2(b)에 도시한 것처럼 고차원 및 LP₀₁모드의 신호를 각각 상이한 출력 포트의 LP₀₁신호로 분리해낼 수 있다.

전술한 것과 같이, 모드 선택 결합기에는 연마형 타잎과 용융형 타잎의 결합기가 알려져 있었고, 결합 효율을 최대로 하기 위하여 두 타겟 모드 사이의 위상 정합 조건이 만족되어야 하는 연마형 타잎의 모드 선택 결합기의 제작에 있어 적절한 광섬유 쌍을 발견하기가 매우 어려웠다.

본 발명의 일 실시예 에서는 적어도 제1또는 제2의 광섬유를 준비하고, 유효 정합 조건을 만족하도록 어느 하나의 광섬유를 테이퍼 하고, 상기 적어도 어느 하나의 광섬유를 다른 광섬유와 함께 연마 블록에 넣어 접합한 모드 선택 결합기를 개시한다.

본 발명에서는, 모드 선택 결합기를 위한 테이퍼-연마법을 개시하는데, 광 섬유의 변수들은 연마형 타잎의 결합기의 제작에 공급되기 이전에 테이퍼 처리에 의하여 조절된다. 모드 선택 결합기에 사용되는 다중 모드 광섬유과 단일 모드 광섬유 중 적어도 하나의 일부분이 타겟 모드 사이의 위상 정합 조건을 만족하도록 테이퍼 처리되어, 가령 LP₁₁, LP₂₁ 및 LP₀₂모드용의 모드 선택 결합기가 제작된다.

본 발명에서는 반경이 5.1μm인 원형 코어인 스텝형 섬유(Δ는 1.15%미만)를 구비한 다중 모드 광섬유를 고차원 모드 아암으로 사용하였고, 단일 모드 광섬유 아암으로는 코닝사의 SMF28을 사용하였다. 다중 모드 광섬유의 정규 주파수는 1550 nm의 파장에서 약 4.54이었고, 따라서 4개의 LP모드(LP₀₁, LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂)가 광섬유 안에서 가이드 되었다. 프리즘 출력 결합법에 의하여 단일 모드 광섬유 및 다중 모드 광섬유 각각의 도파 모드의 유효 굴절율을 측정하였다. 테이퍼 작업 전의 측정 결과가 표1에 도시되어 있다.

	FMF				SMF
neff(1550nm)	LP01	LP11	LP21	LP02	LP01
	1.4574	1.4528	1.4470	1.4460	1.4464

표1에서 다중 모드 광섬유의 LP₀₁, LP₁₁ 및 LP₂₁의 유효굴절율이 단일 모드 광섬유의 LP₀₁의 굴절율보다 크고, LP₀₂모드의 유효굴절율은 단일 모드 광섬유의 LP₀₁굴절율보다 작음을 알 수 있다. 따라서, 다중 모드 광섬유의 LP₁₁ 및 LP₂₁의 유효굴절율이 단일 모드 광섬유 LP₀₁의 굴절율과 같아지도록 다중 모드 섬유의 짧은 부분을 테이퍼하고, 다중 모드 광섬유의 LP₀₂의 굴절율이 단일 모드 광섬유 LP₀₁의 굴절율과 같아지도록 단일 모드 광섬유의 짧은 부분을 테이퍼하여 위상 정합 조건을 충족시키도록 한다.

유효굴절율의 완전한 일치가 최상이나, 실제로는 기대하기 어려우므로 가령 모드 결합율 80% 이상을 가져오는 임계 범위를 정할 수 있다. 다중 모드 광섬유 인장에 있어 유효굴절율의 오차범위를 4× 10^{- 4} 내로 허용할 수 있으나, 모드 결합율이 85%가 넘도록 유효굴절율의 오차범위를 10^{- 4}내로 좁히는 것도 바람직하다. 또한, 단일 모드 광섬유를 테이퍼하여 LP₀₂모드에 맞추는 경우, 유효굴절율의 오차범위를 2× 10^-4 내로 설정하여 정확도를 높이는 것이 바람직하다.

이를 토대로 실험에서는 다중 모드 광섬유의 LP₁₁ 모드 선택 결합기(MSC) 및 LP₂₁ 모드 선택 결합기(MSC)의 각 결합하고자 하는 모드의 유효굴절율은 1.4463, LP₀₂ 모드 선택 결합기(MSC)의 단일 모드 광섬유의 LP₀₁의 유효굴절율은 1.4458이 되도록 테이퍼하였다.

테이퍼 방법으로는 플레임 브러슁(flme brushing)을 이용하였다. 플레임 브러슁의 예로는 저비용 상용의 공기/부탄/프로판 충전 및 제어 가능한 마이크로 토치를 열원으로 이용하여 광섬유를 테이퍼 하는 것으로, 마이크론 단위 이하의 길이 조절이 가능하다.

다중 모드 광섬유의 LP₁₁ 및 LP₂₁ 모드의 유효굴절율이 1.4463이 되도록 테이퍼하는 경우 코어와 클래딩의 직경(Dco, Dcl)은 표2와 같다.

	SMF(LP01)	FMF(LP11)	FMF(LP21)
Dco(㎛)	8.3	6.4	9.7
Dcl(㎛)	125	79	119

단일 모드 광섬유의 LP₀₁의 유효굴절율이 1.4458과 일치하도록 테이퍼하는 경우 코어와 클래딩의 직경(Dco, Dcl)은 표3과 같다.

	SMF(LP01)	FMF(LP02)
Dco(㎛)	7.4	10.2
Dcl(㎛)	111	125

도3은 앞서의 실험예를 토대로 다중 모드 및 단일 모드 광섬유의 테이퍼 직경에 따른 각 모드의 유효굴절율 변화를 나타내고 있다. 점선의 교차점에서의 직경들이 각 모드에 대한 모드 선택 결합의 적절한 직경에 대응한다.

이와 같이 위상 정합 조건을 만족하도록 테이퍼 된 한 쌍의 광섬유는 도4와 같은 연마형 모드 선택 결합기(1)로 옮겨진다. 연마형 모드 선택 결합기(1)는 다중 모드 광섬유(A)의 유효굴절율이 다른 일부를 수용하는 홈을 구비한 제1 몸체(2)와 단일 모드 광섬유(B)의 일부를 수용하는 홈을 구비한 제2 몸체(4)를 포함하는 결합체로 이루어진다. 제1및 제2 몸체(2,4)에 에폭시(8)를 발라 미리 재킷을 벗기고 심은 단일 모드 광섬유와 다중 모드 광섬유의 클래딩 일부분을 코어와 클래딩의 간격을 수 μm 가 될 때까지 연마하여, 심겨진 광섬유의 코어 사이 간격이 수 μm가 되게 조절하고, 광섬유의 연마된 면과 면 사이에 굴절 지수 정합 오일(6)을 삽입한다.

이 예는 다중 모드 광섬유(A)의 일부의 유효굴절율이 다르도록 테이퍼 한 후 연마하는 방법을 설명하였으나, LP₀₂모드로 변환하는 경우에는, 단일 모드 광섬유(B)의 일부의 유효굴절율이 다르도록 테이퍼 한 후 연마하는 점을 제외하고는 동일한 연마형 모드 선택 결합기(1)를 사용한다.

또, 단일 또는 다중 모드 광섬유의 일부의 클래딩을 연마하여 제거하는 이유는 모드 변환이 용이하도록 하기 위한 것이므로, 연마 대상이 되는 광섬유는, 변환 타겟 모드에 따라 적의 선택될 수 있다.

본 발명의 테이퍼-연마법에 따라 최종 완성된 모드 선택 결합기 성능 각각은 단일 모드 광섬유 팔에 LP₀₁ 을 입사한 경우, LP₁₁ 모드 선택 결합기는 모드 결합율이 95%, 모드 소거율이 20db이었다. 또, LP₂₁ 모드 선택 결합기는 모드 결합율이 85%, 모드 소거율이 11db이었으며, LP₀₂ 모드 선택 결합기는 모드 결합율이 75%, 모드 소거율이 20db을 보였다.

이때 FMF 팔에서 바라 본 각각의 원거리 모드의 패턴은 도5에 나타난 바와 같다. 도5(a)는 LP₁₁, 도5(b)는 LP₂₁, 도5(c)는 LP₀₂를 나타내며, 각 모드의 패턴은 스텝형 광섬유의 LP_nm 모드의 전기장 진폭 프로파일과 동일함을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 모드 선택 결합기는 단일 모드 광섬유의 단일 모드와 다중 모드 광섬유의 특정 고차 모드 간에 효율적으로 모드를 결합할 수 있는 소자이다. 모드 선택 결합기의 단일 모드 광섬유를 지나는 LP₀₁모드는 동일한 유효굴절율을 갖는 다중 모드 광섬유의 특정 모드로 결합하게 되며, 다른 고차 모드로는 거의 결합하지 않는다. 본 발명에서는 다중 모드 광섬유의 특정 모드의 유효굴절율이 단일 모드 광섬유의 LP₀₁모드와 같아지도록 테이퍼하고 블록에 다중 모드 광섬유를 고정시킨 후 연마하는 테이퍼-연마형 방식을 사용하여, 기존의 제작 방법에 비해 단순하고 유효굴절율이 서로 다른 모드를 가진 광섬유 간에도 위상 정합이 가능한 소자를 제작할 수 있게 하였다.

나아가 본 발명에서는 이 실험에서 사용한 다중 모드 광섬유에서 존재하는 모든 고차 모드로의 결합이 가능한 캐스케이드 모드 다중화기(Cascade mode division multiplexer)를 제작하기 위하여 각 모드(LP₁₁,LP₂₁,LP₀₂)에 대한 모드 선택 결합기를 제작한 후, 각 결합기를 통과한 다중 모드 광섬유를 융착 접속하였다.

도6은 LP₁₁ 모드 선택 결합기(10), LP₂₁ 모드 선택 결합기(12), LP₀₂ 모드 선택 결합기(14)에서 다중 모드 광섬유를 단일 모드 광섬유의 LP₀₁모드와 결합한 후, 이들을 직렬 연결하여 구성한 캐스케이드형 모드 선택 결합기를 도시하고 있다. 모드 선택 결합기들은 그 사이 지점(20,22)에서 스플라이싱(splicing)되어 접속된다.

도6에서 모드 선택 결합기(10,12,14)를 통과하여 최종 출력 포트에 보이는 4개의 모드에 있어, LP₀₁은 다중 모드 광섬유의 입력이 전송된 것이며, LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂ 각각은 LP₁₁ 모드 선택 결합기(10), LP₂₁ 모드 선택 결합기(12) 및 LP₀₂ 모드 선택 결합기(14)에서 SMF의 LP₀₁모드와 결합되어 전송된 것이다.

각각의 모드 선택 결합기(10,12)는, 이를 통과하는 다중 모드 광섬유의 고차 모드 유효굴절율이 단일 모드 광섬유의 LP₀₁모드의 유효굴절율과 같도록 표2와 같이 다중 모드 광섬유의 클래딩 직경이 각각 79μm, 119μm이 되도록 일부분을 테이퍼한 후, 테이퍼된 다중 모드 광섬유와 단일 모드 광섬유의 일부분을 연마하여 결합한 것이다.

또, 모드 선택 결합기(14)는, 단일 모드 광섬유의 LP₀₁모드 유효굴절율이 다중 모드 광섬유의 LP₀₂모드의 유효굴절율과 같도록 표3과 같이 그 클래딩 직경이 111μm가 되도록 일부분을 테이퍼한 후, 테이퍼된 단일 모드 광섬유와 다중 모드 광섬유의 일부분을 연마하여 결합한 것이다.

각각의 모드 선택 결합기(10,12,14)에서 광섬유의 직경이 변하므로, 직전의 모드 선택 결합기를 통과하여 이미 모드 결합한, 예를 들어 다중 모드 광섬유의 특정 모드의 유효굴절율은, 현재의 모드 선택 결합기에서 결합하고자 하는 모드의 유효굴절율과는 다르므로, 그 모드로 변하거나 간섭하지 않고, 고유의 상태로 통과하게 된다. 반면에, 직전의 모드 선택 결합기에서는 결합하지 않았던 다른 특정 모드의 유효굴절율이 현재 모드 선택 결합기에서 도입되는 단일 모드 광섬유의 LP₀₁모드 유효굴절율과 일치하게 되므로 새로운 모드 결합이 생성된다.

따라서 캐스케이드형 결합기에 있어, 고차 모드인 LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂의 유효굴절율이 서로 일치하거나 간섭하는 구간은 무존재 또는 극소 구간으로 광의 손실은 매우 적어지게 된다. 또, 모드 선택 결합기(10,12,14)를 차례로 거친 출력단의 스크린에는 광 손실이 최소화된 4개의 모든 고차 모드의 프로파일이 보이게 되는 것이다.

표4는 독립한 모드 선택 결합기와 캐스케이드형으로 제작한 모드 선택 결합기의 성능을 비교한 것이다. LP₁₁을 제외하고는, 캐스케이드형이 모드 결합율과 모드 소거율 면에서 대등하거나 우위인 면을 보인다. LP₁₁의 경우, 모드 선택 결합기(12,14)를 통과하면서 다른 고차모드와의 미세한 간섭이 발생한 것으로 추정된다.

	LP11 MSC		LP21 MSC		LP02 MSC
	독립형	CASCADE	독립형	CASCADE	독립형	CASCADE
모드 결합율(%)	96	81	83	82	76	77
모드 소거율(dB)	20	9	11	19	24	24

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 토대로 설명하였으나, 본 발명은 당업자의 기술 수준을 토대로 다양한 변경이 가능하다. 가령, 단일 모드와 고차 모드 뿐만 아니라 단일 모드와 이중 모드 섬유간의 결합, 또 고차 모드 상호간의 결합에도 본 발명의 원리를 확장할 수 있다.

유효굴절율이 일치하는 유효정합조건 역시 현존 또는 장래 개발될 광섬유의 종류에 따라 각 광원 모드에 맞추어 테이퍼한 후 연마할 수 있음은 물론이다. 테이퍼 법에 있어서는 전통적인 플레임 브러싱 뿐만 아니라 개선된 브러쉬형 또는 열원 소스를 이용하지 않는 등 어떤 방법도 적용될 수 있다.

나아가, 캐스케이드형 모드 선택 결합기의 경우 다중 모드 섬유의 모든 모드 뿐만 아니라 선택 가능한 일부 모드만 출력되도록 선택 가능하다. 또, 캐스케이드형 모드 선택 결합기는 일체의 결합기 시스템으로 모듈화되어, 근거리 및 장거리 통신 수단에 다양하게 활용될 수 있다.

(10): LP₁₁ 모드 선택 결합기 (12): LP₂₁ 모드 선택 결합기
(14): LP₀₂ 모드 선택 결합기 (20,22): 스플라이싱 지점
(1): 연마형 모드 선택 결합기 (A): 다중 모드 광섬유
(B): 단일 모드 광섬유

Claims (14)

1. 제1 광섬유를 수용하는 제1홈을 구비한 제1 몸체; 및 제2 광섬유를 수용하는 제2홈을 구비한 제2 몸체를 이용하여, 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유를 접합시켜 출력하는 결합체를 포함하고,
   상기 결합체에 수용되는 상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유의 적어도 하나의 클래딩의 일부를 테이퍼 연마하여 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유의 코어 사이의 간격이 조절되어 접합이 이루어지며,
   상기 접합에 의해, 광 전파모드에서 모드 결합율이 80% 이상 되도록, 상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유 간의 유효굴절율의 차이를 좁힘으로써,
   상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유 중 하나 이상에 들어오는 LP₀₁ 모드의 신호, 또는 상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유로 각각 들어오는 LP₀₁ 모드 및 고차 모드의 신호로부터, 출력포트를 통해 LP₀₁ 모드 신호와 상기 고차 모드 신호 중 하나 이상을 출력하도록, 위상 정합하며,
   상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유 중 하나 이상은 LP₀₁ 모드 이외에 2이상의 고차 모드의 전파가 가능한 다중 모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 모드 선택 결합기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 접합이 이루어지는 상기 제1 광섬유의 유효굴절율과 상기 제2 광섬유의 유효굴절률의 차이는 10^-4 ~ 4× 10^-4 인 것을 특징으로 하는 모드 선택 결합기.
   
3. 제1항에 있어서, 최종 출력 포트를 통하여 LP₀₁ 모드와 복수의 고차 모드 신호를 출력하기 위하여, 상기 결합체와 동일한 구성의 복수의 결합체들의 다중 모드 광섬유 출력을 각각 단일 모드 광섬유와 결합되도록 스플라이싱으로 직렬 연결한 것을 특징으로 하는 모드 선택 결합기.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 고차 모드는 적어도 LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂모드 중 어느 하나를 포함하는 광섬유인 모드 선택 결합기.
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