KR19980080784A - 광섬유 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

광섬유를 분극처리한 전기광학 소자의 복굴절의 영향이 고려되고 있지 않았기 때문에, 변조강도가 충분하지 않았거나 온도특성이 컸다.
일정한 형상의 광섬유와, 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고정용 홈을 지닌 기판과, 상기 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈에 부착된 적어도 편광자, 검광자, 전기광자 소자로된 광섬유 센서에 있어서 전기광학 소자가 분극처리된 광섬유로 되어, 전압을 인가하지 않을때, 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 각 유전주축에 대응하는 빛의 위상차의 절대값이(m/2±1/6)π 이내(여기서 m이 홀수)가 되도록 분극처리한 전기광학 소자를 사용한 광섬유 센서를 제작하였다. 그 결과, 온도 특성의 양호한 혹은 파장판의 불필요한 광섬유 센서를 실현할 수 있게 된다.

Description

광섬유 센서 및 그 제조방법
본 발명은 2차의 비선형 광학효과를 구비한 분극처리된 광섬유를 전기광학 소자로서 사용한 광섬유 센서에 관한 것이다. 또, 본 발명의 광섬유 센서는 광변조 소자로서 사용할 수 있는 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래 광섬유 센서에 사용할 수 있는 전압(또는 전기장) 측정용의 전기광학 소자로서 2차의 비선형 광학재료인 LiNbO3(LN)나 Bi12SiO20(BSO)나 Bi12GeO20(BGO) 그리고, Bi4Ge3O12등의 광학결정이 공지되어 있다. 예컨대, 오오고시고오게이편저「광섬유 센서」 오옴사(1886년) pp149-153에 도시한 바와 같이, 광섬유 전압센서는 뛰어난 절연성을 지녔고, 특히 고전압 측정용의 광섬유 센서로서 개발되어 있다.
또, 근년에 와서 광섬유 센서에 사용하는 광학소자 삭감을 위하여, 렌즈나 거울을 생략하여 광섬유로된 광로 도중에 자기광학소자 또는 전기광학 소자를 내장한 광섬유 센서를 검토하여 왔다(예컨대, 일본국 특개 평5-297086, 특개 평6-74979, 특개 평8-219825 등). 또 극히 최근 광섬유를 분극처리함에 따라 2차의 비선형 광학효과를 나타내는 일이 명백하게 되어 광섬유를 사용한 광변조 소자를 제작할 수 있도록 되어 왔다(예컨대, A.C.Liu 외 : Opt, Lett. Vol.19 pp.466-468(1994), T. Fujiwara 외 : IEEE Photonics Lett. Vol.7 pp.1177-1179(1995), 특개 평9-230293 등).
대표적인 2차의 비선형 광학재료인 LN을 사용한 광섬유 센서에 있어서는, 특개 평3-44562나 오오고시고오게이편저「광섬유 센서」 오옴사(1986년) p153에 도시한 바와 같이, 약 0.1∼0.2도 이하인 축 전단각으로 할 필요가 있었다.
이하, 도 8을 사용하여 과제를 설명한다. 도 8은 대표적인 광섬유 전압(전기장) 센서의 동작원리를 나타낸 도면이다. 도 8(a)에 있어서 광섬유에서 전파한 불규칙 편광의 입사광은 편광자(偏光子)이고, 직선편광 성분만이 투과한다. 여기서, 1/4 파장판을 투과한 빛은 유전주축에 대한 빛의 위상차가 π/2만 발생하여 원평광으로 된다. 또한 전기광학 소자를 통과함에 따라, 소자에 인가된 전압에 대응한 위상차가 발생하여, 도 8(a)과 같은 원편광에서 직선편광까지 변화한다. 그리고 검광자(檢光子)를 투과함에 따라, 편광상태의 변화가 빛의 강도의 변화로서 관측된다. 도 8(b)은 광학바이어스와 센서의 광출력의 관계를 나타낸 모식도이다. 출사광의 투과광량은 전기광학 효과와 광학바이어스(파장판에 의하여 결정한다)로 부여된 빛의 위상차를 결정하지만 함수형은 SIN 함수로 나타낼 수 있다. 광학바이어스가 π/2(또는 π/2의 홀수배) 인때는 SIN 함수의 직선성이 좋은 부분을 사용할 수 있음에 대하여, 광학바이어스가 π/2dm로부터 차이(예컨대, 광학바이어스 3π/4)지면 출력파형이 비틀린다거나, 또한 크게 광학바이어스가 차이지는(예컨대, 광학바이어스 O) 경우에는 출력파형이 크게 비틀리는 외에 변조도가 현저히 작아짐을 알 수 있다. 그런데, LN에서는 바로 결정축(z축)으로부터 빛이 입사하면 복굴절을 느끼지 않으므로, 1/4 파장판에 의한 π/2의 위상차 뿐이며, 변형이 없는 설계값 그대로의 변조신호를 얻을 수 있다. 그러나, 입사광이 z축으로부터 차이지면, LN의 커다란 자연복굴절 때문에 커다른 위상차가 발생하여, 본래의 광학바이어스로부터 이동변조도가 작아진다거나 파형이 변형한다거나 혹은 복굴절의 온도변화에 의하여 커다란 변조도의 온도변화가 발생한다고 하는 과제가 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여, 자연복굴절이 없는 결정을 사용하는 방법을 고려할 수 있다. 자연복굴절이 없는 비선형 광학재료(결정)로서는 BGO, BSO 그리고, Bi4Ge3O12등이 공지되어 있다. 그러나, BGO나 BSO는 선광성(빛의 편광면이 결정길이에 비례하여 회전하는 효과) 때문에 결정길이를 길게 할 수 없고, 빛의 변조도 임의로 설정할 수 없었다거나, 변조도를 충분히 크게할 수 없었다거나 하는 과제가 있었다(예컨대 오오고시고오게이편저「광섬유 센서」 오옴사(1986년) pp. 152-153). 또, Bi4Ge3O12는 고온에서 DC 드리프트가 존재하기 때문에, 광변조 소자로서 안정한 온도특성을 실현할 수 없다고 하는 과제가 있었다(예컨대 0.Kamada 외 Appl.phys. Vol. 32(1993) pp.4288∼4291).
또한, 광섬유의 도중에 전기광학 소자를 배치한 광섬유 센서에 있어서는 렌즈가 생략되어 있어 비임확산(beamdivergence)의 영향을 억제할 필요로부터 충분히 긴 결정길이를 채택할 수 없어 비교적 커다른 전기광학 정수를 갖는 LN을 전기광학 소자로서 사용하였을 경우에도 광섬유 센서로서의 감도가 작다고 하는 과제가 있었다. 또, 액정을 사용하였을 경우에는 응답속도가 대단히 늦어서 전압값의 급속한 변화를 측정할 수 없었다거나, 저온에서 액정이 고체화하여 사용할 수 없게 되는 등의 과제가 있었다.
광섬유의 일분을 분극처리하여 전기광학 소자로서 사용하였을 경우, LN 결정을 전기광학 소자로서 사용하고, 또한 입사광이 광축(z축)에서 이동하였을 경우와 같은 과제가 발생한다. 즉, 광섬유를 분극처리함에 따라 비선형 광학효과(전기 광학효과) 뿐 아니라 굴절률의 이방성(자연 복굴절)이 발생하기 때문에 그것을 광섬유 센서로서 사용하는 경우, 목적으로 하는 광학 바이어스의 상태로 하는 것이 곤란하다고 하는 과제가 있다. 상기 과제는 한쪽편의 유전주축의 전기광학 효과에 의한 굴절률 변화할 이용한 종래의 광변조기에서는 문제가 되지 않기 때문에 전혀 인식되어 있지 않았다.
일본국 특개 평9-230293과 같은 광변조 소자에 있어서도 전기광학 효과뿐 밖에 고려되어 있지 않기 때문에, 자연복굴절에 의한 광학바이어스가 고려되어 있지 않았고 직선성이 불량한 변조소자로 된다. 또한 상기예에 있어서는 광섬유의 피복부에 전극삽입용 구멍이 제작되어 있고, 그 결과 분극처리에 의하여 발생하는 자연 복굴절 이상으로 광섬유 단면구조의 이방성에 기인하는 대단히 큰 자연복굴절이 발생한다. 그 결과, 이 광섬유는 이른바 편파면(編波面) 보존섬유와 같은 기능을 갖고, 유전주축(2쌍의 구멍을 맺는 직선 및 그에 수직한 방향) 이외에 입사한 빛의 편광상태는 대단히 불안정하게 되어 온도나 외압이 가하여지면 현저히 변화하는 광섬유로 된다. 그 결과, 특히 상기 광섬유를 전기광학 소자로서 사용하여 유전주축과는 상이한 방향으로 편광방향을 갖는 빛을 입사하였을 경우, 예컨대 온도가 수 ℃ 변화한 것 만으로도 변조도가 크게 변화하여 현저하게 온도특성이 나쁜, 또 변형률이큰 전기광학 소자로 된다고 하는 과제가 있었다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 광섬유 센서는 일정한 형상의 광섬유와 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고정용 홈을 지닌 기판과, 상기 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈 또는 상기 광섬유 고정용 홈에 부착된 적어도 편광자, 전기광학 소자, 검광자로 되는 광섬유 센서에 있어서 상기 전기광학 소자가 분극처리된 광섬유로 되있고, 상기 전기광학 소자에 전기장이 인가되지 않을 때에 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 다음의 수 1, 보다 바람직하기는 수 2로 나타낼 수 있는 광섬유 센서를 사용하였다.
(수 1)
(m/2-1/6) π≤δ≤(m/2+1/6)π
여기서 m은 홀수
(수 2)
π/3≤δ≤2π/3
또, 본 발명은 일정형상의 광섬유와 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고저용 홈을 지닌 기판과, 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈 또는 광섬유 고정용 홈에 부착된 적어도 편광자, 파장판, 전기광학 소자, 검광자로된 광섬유 센서에 있어서 상기 전기광학 소자가 분극처리된 광섬유로 되있고, 상기 전기광학 소자에 전기장이 인가되지 않을 때에 상기 파장판 및 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 다음의 수 3, 보다 바람직 하기는 수 4로 나타내는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 사용하는 일이다.
(수 3)
(n/2-1/6) π≤δ≤(n/2+1/6)π
여기서 n은 홀수
(수 4)
π/3≤δ≤2π/3
또한, 상기 전기광학 소자로서 상이한 2방향으로부터 분극처리된 광섬유로된 전기광학 소자를 사용하는 일이며, 더욱 바람직하기는 상이한 2방향이 서로 90도 ± 10도의 범위에서 대략 직교하고 있으며, 나아가서 광섬유의 형상이 직선 또는 저면이 납작한 U자형이다.
본 발명은 일정한 형상의 광섬유와 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고정용 홈을 지닌 기판과, 상기 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈 또는 상기 광섬유 고정용 홈에 부착된 적어도 편광자, 전기광학 소자, 검광자로된 광섬유 센서의 제조방법에 있어서 상기한 전기광학 소자는 광섬유가 분극처리 되어서 제작되있고, 상기 전기광학 소자에 전기장이 인가되지 않을 때에 상기한 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 다음의 수 1, 보다 바람직 하기는 수 2로 나타내는 것을 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 편광상태를 관칙하면서 분극처리하는 광섬유 센서의 제조방법을 사용하였다.
(수 1)
(m/2-1/6) π≤δ≤(m/2+1/6)π
여기서 m은 홀수
(수 2)
π/3≤δ≤2π/3
그리고, 적어도 편광자, 전기광학 소자, 검광자로 되있고, 상기 전기광학 소자에 교류전기장을 인가하였을 때, 상기 검광자를 투과한 빛의 변조신호의 왜곡률(distortion factor)이 대략 극소로 되도록 상기 전기광학 소자의 분극처리를 하는 광섬유 센서의 제조방법을 사용하였다. 또, 일정한 형상이 직선인 광섬유를 사용하거나 일정한 형상이 저면이 납작한 U자형인 광섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법을 사용하였다. 이 방법에서는 광섬유의 분극은 광로(빛의 전파방향)에 대하여 대략 직교하는 한방향으로부터 실행하는 것이 바람직 하다. 단, 상이한 대략 직교하는 2방향으로부터 분극하여도 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차(δ)가 상기 부등식의 조건을 만족한다면 2방향으로부터 실행할 수도 있다. 이 경우 2방향으로부터의 분극의 정도를 각기 정확하게 제어할 필요가 있어, 비교적 번잡하므로 상기 한방향으로부터의 분극이 바람직 하다.
본 발명은 일정한 형상의 광섬유와 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고정용 홈을 구비한 기판과, 상기 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈 또는 상기 광섬유 고정용 홈에 부착된 적어도 편광자, 전기광학 소자, 검광자로 되있고 전기광학 소자는 광섬유에 전기장을 인가하여 분극처리되어 제작되있고, 상기 파장판 및 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 수 1, 보다 바람직 하기는 수 2로 나타낼 수 있음을 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 편광상태를 관칙하면서 분극처리함에 따라 실행하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법을 사용한다.
(수 3)
(n/2-1/6) π≤δ≤(n/2+1/6)π
여기서 n은 홀수
(수 4)
π/3≤δ≤2π/3
바람직 하기는 적어도 편광자, 파장판, 전기광학 소자, 검광자로 되있고, 상기한 파장판 및 상기 전기광학 소자에 교류전기장을 인가하였을 때, 상기 검광자를 투과한 직후의 빛의 변조신호의 왜곡률이 대략 극소로 되도록 상기 전기광학 소자의 분극처리를 하는 광섬유 센서의 제조방법을 사용한다. 또, 일정한 형상이 직선인 광섬유를 사용하던가 소정의 형상이 저면이 평판한 U자형의 광섬유를 사용함을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법을 사용한다.
도 1은 본 발명에 의한 제1실시형태에 의한 광섬유 센서의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 의한 제2실시형태에 의한 전기광학 소자를 제작하는 차례를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 의한 제2실시형태에 의한 광섬유 센서의 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 의한 제3실시형태에 의한 광섬유 센서의 제작차례를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 굴곡 광섬유의 제작차례를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 의한 제4실시형태에 의한 광섬유 센서의 제작차례를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시형태에 의한 전기광학 소자 제작의 원리도.
도 8은 종래의 광섬유 센서의 구성 및 그 동작원리를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 20, 30, 40, 62 : 전극
11, 21, 31, 51 : 광섬유 도선
12, 22, 32, 52 : 광섬유 소선(素線)
13, 43 : 편광자(偏光子)
15, 35, 45, 65 : 전기광학 소자
14, 34, 46, 66 : 검광자(檢光子)
17, 37, 47, 67 : 광학소자 삽입용 홈
38, 48, 68 : 광섬유 고정용 홈
17, 37 : 광학소자 삽입용 홈
19, 39, 49, 69 : 기판(基板)
201, 501 : 페루울(ferrule)
23 : 히이터
25 : 분극처리용 전원
33, 63 : 편광자와 1/4 파장판을 접합한 소자
55 : 마이크로 가스버어너
56 : 굴곡광 섬유
401 : 리이드선(lead wire)
403 : 전극 삽입용 홈
(실시예 1)
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
유리(또는 광섬유)의 분극처리는 비선형 광학효과(전기광학 효과)와 동시에, 굴절률의 이방성을 발생시킨다. 도 7에서 본 발명에 의한 광섬유 센서용 전기광학 소자 제작의 원리도를 도시하였다.
먼저, 도 7(a)에 비선형 광학재료(유리블록 또는 광섬유 등의 분극처리할 수 있는 재료에 전극을 부착한 것)로 된 전기광학 소자와 x, y, z축을 도시하였다. 도면에서는 설명이 용이한 바와 같이, x, y축은 직교하여 도시하고 있으나, 반드시 직교할 필요는 없다. 단, x, y축을 직교시켰을 경우 x축의 분극처리가 y방향의 분극처리의 결과에 영향을 주기어렵게 할 수 있으며 실용상에서는 90도 ± 10도 이내로 함에 따라 용이하게 각 굴절률 성분제어를 할 수 있다. 또, z축은 이 x축 및 y축에 대략 직교하고 있다. 본 발명에서는 광섬유를 분극처리함에 따라 전기광학 소자를 제작하므로 빛의 전파방향(광섬유의 축방향)이 z축으로 된다. 먼저, 주위온도를 예컨대 150∼300℃로 승온하고, 뒤이어 x축 방향으로 1×104∼1×106㎝/V 정도의 전기장을 인가하여 분극처리를 한다. 이때, x축 방향으로 분극처리하면 x축 방향의 전자분극이 커지고, x축 방향으로 분극한 빛(: x축 방향으로 광전기장이 진동하는 빛)이 느끼는 굴절률(nx)은 증가한다.
여기서, 분극처리의 과정에서 도 8과 같은 광학시스템(단, 이때 1/4 파장판은 배치하지 않는다. 또 입사광(직선편광)의 편광면은 x축에서 y축으로 향하여 45도의 방향으로 한다)을 제작하여 편광상태를 관측한다. 이때, 전기광학 소자를 투과한 빛이 원편광(즉, x축 및 y축의 유전주축을 투과한 빛의 위상차가 π/2 또는 π/2의 홀수배로 되는 곳에서) 분극처리를 종료한다. 여기서 제작한 전기광학 소자는 전기광학 효과와 광학바이어스를 부여하는 소자(파장판)의 기능을 지닌 소자이다. 따라서, 이 소자를 사용하였을 경우, 도 8(a)의 광학소자 중에서, 1/4 파장판을 사용하지 않더라도 직선성이 뛰어난 광섬유 센서를 제작할 수 있게 된다. 또, 광학바이어스의 크기는 이상치(π/2)(또는 그 홀수배) 임이 바람직 하다. 그러나 출력파형의 변형을 피할 필요가 없을 경우에는 위상차의 절대값(δ)의 이상치로부터의 차이는 ±π/6 정도까지라면 변조도로서 커다란 설계값으로부터의 차이가 없으므로 사용할 수 있다. 따라서, 광섬유에 분극처리를 하여 전기광학 소자를 제작하는 경우 투과한 빛의 위상차가 수 1로 나타내는 조건에서 분극함에 따라 파장판의 불필요한 광섬유센서를 실현할 수 있다.
(수 1)
(m/2-1/6) π≤δ≤(m/2+1/6)π
여기서 m은 홀수
또, 위상차가 클경우 자연복굴절의 온도변화에 의하여 변조도의 온도변화가 커지므로, m의 수는 적은편이 온도에 대하여 안정한 광섬유 센서를 실현할 수 있다. 따라서, 위상차의 절대값(δ)이 수 2로 나타낸 전기광학 소자를 사용하는 경우, 보다 온도특성의 안정한 광섬유 센서를 실현할 수 있다.
(수 2)
π/3≤δ≤2π/3
또, 출사광의 편광상태를 관측하는 대신에 전기광학 소자에 교류전압을 인가할 수 있는 광출력의 왜곡률이 대략 극소로 되었을 때, 분극처리를 종료하여도 전기광학 소자를 통과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 수 1 또는 수 2를 만족한 소자를 제작할 수 있다.
다음에, y축 방향으로 조금전의 x축 방향과 같은 요령으로 전기장을 인가함에 따라 분극처리를 한다. 이 분극처리에 의하여 y축 방향의 편광을 지닌 빛이 느끼는 굴절률(ny)이 커진다. 이때, 마찬가지로 도 8과 같은 광학시스템을 제작하여(이 경우, 파장판을 배치한다), 전기광학 소자의 편광상태를 관측한다. 분극처리 시간이나 분극전압을 적당히 선택함에 따라, 전기광학 소자를 투과한 빛의 편광 상태가 원편광으로 되는 것을 확인할 때 까지, 분극처리를 한다. 이때 얻을 수 있는 파장판과 전기광학 소자에서 발생하는 합계의 위상차의 절대값(δ)의 π/2의 홀수배이다. (이때, 전기광학 소자만으로 주어지는 위상차의 절대값(δ)은 π/2의 짝수배로 된다).
따라서, 광섬유에 분극처리를 하여 전기광학 소자를 제작하는 경우, 파장판과 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 수 3에서 나타낸 조건에서 분극함에 따라 전기광학 소자로서는 대략 등방적인 소자를 얻을 수 있다.
(수 3)
(n/2-1/6) π≤δ≤(n/2+1/6)π
여기서 n은 홀수
또, 위상차가 클 경우 자연복굴절의 온도변화에 의하여 변조도의 온도변화가 커지므로 n의 수는 적은편이 온도에 대하여 안정한 광섬유 센서를 실현할 수 있다. 따라서, 보다 바람직하기는 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)을 수 4로 나타낼 수 있음이 바람직 하다.
(수 4)
π/3≤δ≤2π/3
파장판으로서는 설계의 용이성으로부터 1/4 파장판을 사용할 수 있으나, 원리적으로는 반드시 1/4 파장판일 필요는 없다. 파장판과 전기광학 소자의 양편을 통과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 식 3 또는 식 4를 만족한다면 광섬유 센서로서 기능한다. 그러나, 특히 파장판이 1/4 파장판이고, δ≒π2 일 때, 전기광학 소자는 빛의 투과방향에 대하여 자연복굴절이 거의 없는 상태로 된다. 이때, nx≒ny로 되어 전기광학 소자에서 발생하는 복굴절은 z축 방향으로 전파하는 빛(x편광, y편광 또는 x축과 y축 사이에 편광방향을 갖는 빛)에 대하여 거의 영(0)으로 할 수 있다. x축 및 y축 방향으로 분극처리함에 따라, nz가 작아지지만 등방성의 유리를 분극처리 하였을 경우의 굴절률 변화는 통상 0.001 정도 이하이다. 한편, LN의 복굴절량(굴절률의 최대와 최소값의 차는 약 0.09이며, 본 발명에 의한 비선형 광학재료의 복굴절 보다 약 2자리수 크다. 따라서, 비선형 광학재료에 입사하는 빛의 각도 정밀도도 LN인 경우에 비하여 약 2자리수 가까이 커지게 되어, 전기광학 소자의 제작이 극히 용이하게 된다. 나아가서 z축 방향으로 전파하는 빛에 관하여는 등방성이기 때문에 nx와 ny가 같지 않을 경우에 비교하여, 복굴절률의 온도변화는 작아진다. 즉, 온도변화에 의하여 굴절률이 변화하였을 경우에도 nx≒ny의 관계를 유지되기 때문에 전기광학 소자의 광학바이어스의 온도변화는 작아지고, 온도특성의 대단히 양호한 광섬유 전압(전기장) 센서를 제작할 수 있게 된다. 또, 이러한 광섬유 센서는 광변조 소자로서도 사용할 수 있으며, 이때 온도특성이 양호한 낮은 변형의 광변조 소자로 된다.
또, 전술한 출사광의 편광상태를 관측하는 대신에 전기광학 소자에 교류전압을 인가할 수 있는 광출력의 왜곡률이 극소로 되었을 때 분극처리를 종료하여도 파장판과 전기광학 소자를 통과한 빛의 위상차가(n/2-1/6) π≤δ≤(n/2+1/6)π 또는 π/4≤δ≤2π/3의 광섬유 센서를 제작할 수 있다.
전기광학 소자로서, 광섬유를 사용하였을 경우 전기광학 소자렌즈를 사용하지 않고 길게 할 수 있으며, 따라서 변조도의 커다란 광섬유 센서를 실현할 수 있다. 또, 특히 저면이 평판한 U자형 광섬유를 사요하였을 경우 광입사 방향과 광출사 방향의 광섬유의 방향을 같게할 수 있게 되므로, 광섬유 센서를 소형화 할 수 있게 된다.
또, 다음의 실시형태 예에서는 분극처리 방법으로서 온도를 가하는 중에 고전압을 인가하여 분극처리를 하는 방법을 나타내었으나 자외선을 조사하면서 실온에서 고전기장을 인가하여 분극처리를 하는 방법, 코로나 포올렁에 의한 방법, 그리고 고진공·고온조건에서 분극을 하는 방법 등을 사용하여도 본질적으로 같은 기능을 얻을 수 있다.
이하, 더욱 상세한 실시형태를 사용하여 본 발명을 설명한다. 본 발명의 제1실시형태를 도 1 및 도 2(a)∼도 2(c)를 사용하여 설명한다. 먼저, 도 2를 사용하여 광섬유의 분극처리에 대하여 설명한다. 양단에 페루울(20)을 부착한 광섬유 도선(21)을 준비한다(도 2(a)). 광섬유로서는 석영유리계렬 광섬유이라면 단모우드 광섬유에서도 다중 모우드 광섬유 이라도 어느 것이나 사용할 수 있으나, 여기서는 LED 광원을 사용하였을 경우에 광양을 많이 얻을 수 있는 다중모우드 광섬유를 사용하였다. 광섬유는 석영계렬의 코어계렬 200㎛, 클래드계렬 250㎛의 광섬유이다. 코어부에는 굴절률을 높이기 위하여 GeO2가 도우프(dope) 처리되어 있다. 다음에 광섬유 도선의 피복을 일부 제거하여 광섬유 소선부(22)가 보이는 상태로 한다(도 2(b). 다음에 도 2(c)에 도시한 바와 같이, 광섬유 소선부를 히이터(23) 위에 고정하여 전극으로 끼워 넣는다. 최초에 분극처리하는 방향을 도면에서와 같이 x축, 그것과 대략 직각인 방향(90도 ± 10도 이내에서)을 y축 빛의 전파방향을 z축으로 한다. 여기서 광섬유를 직선으로 유지하고, 또한 입사광은 대략 콜리메이터(collimator) 광을 입사시켜 미리 섬유전파중에 편광상태가 흐트러지지 않음을 확인 하였다. 그런다음 히이터의 분극처리부에서의 온도를 300℃이라하고, 5kV의 전압(전극간격 0.5㎜)을 30분∼100분 인가하여 x축 방향의 분극처리를 하였다. 이때, 분극용 전압의 인가를 도중에서 중단하고, 전압을 인가하지 않을때 투과한 빛의 위상차가(m/2±1/6)π 이내임을 편광상태를 관측하면서 분극처리를 반전시켰다(도 2(c)의 상태). 이렇게 얻어진 광섬유를 사용하여, 도 1에 도시한 직선형의 광섬유 센서를 제작하였다. 다음에 도 1을 사용하여 상기한 공정에서 분극처리한 광섬유를 직선형의 광섬유 센서로 제작하는 차례를 도시하였다. 기판의 재료로서는 유리, 세라믹스, 수지 등 절연성의 재료이라면 어떤 재료이라도 좋으나 가공성과 절연성에 뛰어난 유리에폭시기판(19)을 사용하였다. 기판에 회전식 톱날로 제작하였다. 이때, 광섬유 소선부(12)도 동시에 절단하여 광로도중에 광학소자를 설치할 수 있도록 한다. 광학소자 삽입용 홈에는 편광자(13) 및 검광자(14)를 삽입하여 접착고정하였다. 최후에 광섬유를 끼워 넣도록 전극(10)을 설치하였다. 여기서 기판이면의 전극에 관하여는 전극을 접착하는 부분의 기판의 두께를 0.1㎜까지 엷게하여 그것을 접착고정 하였다. 전극으로부터 나온 도선에 교류전압 1000V를 인가하여 출력광의 변조도를 측정하였던바 변조도는 1.8%, 왜곡률은 1%였다. 또 왜곡률은 전기광학 소자를 투관한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 바로 mπ/2에서 차이지면 열악화 하였으나 설정값에 대하여 ±π/6의 범위내에서는 변조신호의 저하는 적고 광섬유 센서로서 사용할 수 있었다. 또한 상기 1.8%의 변조도를 나타낸 소자의 -20∼+8080℃의 범위에서 온도특성을 측정하였던바 실온에서의 변조도를 100으로 규격화하여 ±5% 이내의 결과를 나타내었다. 이때, 광섬유가 파장판과 전기광학 소자의 쌍방의 역할을 겸하므로 파장판은 필요없었다. 또한 70℃ 이상의 고온에 있어서도 Bi4Ge3O12결정을 사용하였을 경우 문제로 되는 DC 드리프트가 관측되지 않아서 안정한 온도특성의 표현을 실현할 수 있었다.
(실시예 2)
본 발명의 제2실시형태에 의한 전기광학 소자와 파장판을 조합하였을 경우의 예를 도 2(c)∼도 2(d) 및 도 3을 사용하여 설명한다. 실시형태 1과 마찬가지로 광섬유를 직선으로 유지하여 미리 섬유전파중에 편광상태가 흐트러지지 않음을 확인하였다. 최초에 분극처리하는 방향을 도면에서와 같이 x축 그것과 대략 직각인 방향(90도 ± 10도 이내에서)을 y축, 빛의 전파방향을 z축으로 한다. 그후, 히이터의 분극처리부에서의 온도를 300℃이라하고, 5kV의 전압(전극간격 0.5㎜)을 100분 인가하여 x축 방향의 분극을 처리하고, x축 방향으로 분극처리를 하였다(도 2(c)). 뒤이어 z축의 둘레에 광섬유를 90도 ± 10도의 범위에서 회전하며 마찬가지로 300℃에서 30분간의 분극처리를 하였다(도 2(d)). 이상태에서 한번시료를 완전히 실온으로 되돌린 상태에서 광섬유의 좌측 단면으로부터 직선편광의 빛을 입사시켜 출사광의 편광상태를 관측하였다. 입사광의 직선편광의 편광면이 x축에서 y축으로 향하여 45도의 각도가 되도록 빛을 입사하였다. 여기서 출사광의 타원률이 클 경우에는 다시금 분극처리를 하여 시료를 실온으로 복귀시킨다. 다음에 전술한 바와 마찬가지로 편광상태를 관측하여 대략 투과광이 직선편광으로 되는 상태에서 분극처리를 종료하였다. 이상태에서 입사광측에 1/4 파장판을 설치하여 1000V의 전압을 인가하였을 경우, 1.5%의 변조도를 얻을 수 있음을 확인하였다.
광섬유를 도 3에 도시한 바와 같은 광섬유로 쌓아올리는 차례는 실시형태 1과 마찬가지이다. 수득한 소자에 1000V의 교류전압을 인가하였을 때, 1.4%의 변조도 신호를 얻을 수 있다. 이때의 왜곡률은 0.8% 이내와 같이 낮은 변형이였다. 또한 이 소자의 -20℃∼+80℃의 온도범위에서의 변조도의 변화는 실온에서의 변조도를 100%로 규격화 하면 ±1.5%와 같이 대단히 양호하였다. 또한 70℃ 이상의 고온에 있어서도 Bi4Ge3O12결정을 사용하였을 경우 문제로 되는 DC드리프트를 관측하지 않고 온도특성의 안정한 광섬유 센서를 제작할 수 있었다.
또한 파장판과 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 π/2의 홀수배일 때 직선성이 좋고, δ의 설정값으로부터의 차이가 ±π/6 이내 이라면 변조신호를 얻을 수 있으며, 광섬유 센서로서 사용할 수 있음을 확인하였다. 또, 온도특성은 상기와 같이 δ=π/2 일 때, 더욱 양호하였다.
더욱이 파장판과 전기광학 소자의 순번은 파장판의 유전주축과 전기광학 소자의 유전주축 등에 같은 방향이면 순서를 바꾸어 넣는(즉, 검광자의 앞에 파장판을 펴서 붙인다) 것도 가능하였다.
(실시형태 3)
본 발명에 의한 제3실시형태를 도 4∼도 5를 사용하여 설명한다. 여기서는 저면이 평탄한 U자형 광섬유를 사용하여 기판상에 편광자 전기광학 소자(파장판의 작용도 겸하는), 검광자, 광섬유 등을 하이브리드에 집적화한 광섬유 센서의 예를 뜻한다. 기판의 재료로서는 나중의 분극처리시의 가온함을 고려하여 BK7 유리기판을 사용하였다. 통상의 BK7 유리기판(49) 위에 회전식 톱날을 사용하여 광섬유 고정용홈(48), 전극 삽입용 홈(403)을 제작한다(도 4(b)). 다음에 별도로 제작한 굴곡 광섬유를 기판상에 접착 고정한다. 이때, 접착재료로서는 알루미나, 실리카를 주성분으로 하는 세라믹 계렬 접착제를 사용하였다.
여기서 굴곡 광섬유 제작의 방법을 도 5를 사용하여 도시하였다. 광섬유도선(51)의 일부피복을 제거하고, 광섬유 소선부(52)가 보이는 상태로하여, 이 광섬유 소선부(52)에 가열처리를 한다(도 5(c)). 여기서, 사용한 광섬유는 석영계렬의 코어지름 200㎛, 클레드지름 250㎛이며, 코어부는 굴절률을 높이기 위하여 GeO2가 도우프 처리되어 있다. 이 섬유의 연화점은 900∼1000℃ 정도이기 때문에 마이크로 가스버어너를 사용하여 가열처리함에 따라 저면이 평탄한 U자형의 광섬유(굴곡 광섬유 56)를 제작하였다.
다음에 도 4(d)에 도시한 바와 같이, 광학소자 삽입용 홈(47)을 회전식 톱날로 2개를 제작하여 그 홈에 편광자(43), 검광자(46)를 삽입한다.
또한 전극삽입용 홈(403)에 스테인레스 박판으로 된 전극을 2개 삽입 고정한다(도 4(e)). 이때, 전극의 간격은 1㎜이다. 다음에 전극으로부터 리이드선(401)을 꺼내어 분극처리용 전원 또는 변조도 측정용 전원에 접속한다.
여기서, 광섬유에 광원으로부터의 광섬유와 수광기로부터의 광섬유를 접속하여 광섬유 센서의 변조신호를 측정할 수 있는 시스템을 구성한다. 다음에 이 유리기판(49)의 선단부에 리이터를 밀착시켜 건조 분위기속에서 200℃에 가온하고 양단에 10kV의 전압을 인가하여 30분 방치하였다. 여기에서, 한번 분극처리를 중단하고, 전극사이에 1000V의 교류를 인가하여 변조신호의 왜곡률을 측정한다. 여기서, 왜곡률이 클 경우에는 더욱 분극처리를 계속하여 1000V의 교류전압을 인가하였을 경우의 왜곡률이 1% 이하로 된 곳에서 시료를 실온으로 복귀하고 분극처리를 종료하였다. 이때, 1000V의 인가전압에 대하여 광변조도 1.0%, SIN파의 교류파형에 대한 왜곡률은 0.8%의 광섬유 센서를 얻었다. 본 구성의 센서에 있어서는 광섬유의 분극처리한 부분이 전기광학 소자와 파장판의 양편의 역할을 수행하기 위하여 파장판이 없어도 직선성이 좋은 변조신호를 얻을 수 있었다.
(실시형태 4)
본 발명에 의한 제4실시형태를 도 5, 도 6을 사용하여 설명한다. 여기서는 저면이 평탄한 U자형 광섬유(굴곡광 섬유)를 사용하여 기판상에 편광자, 파장판, 전기광학 소자, 검광자, 광섬유 등을 하이브리드에 집적화한 광섬유 센서의 예를 뜻한다. 광섬유를 분극 처리하는 방법은 실시형태 1과 마찬가지로 x축 및 y축의 Z방향에서온 소자를 사용하였다. 즉 1/4 파장판 및 광섬유를 투과한 빛의 위상차가 바로 π/2로 되는 조건에서 분극처리한 것을 사용하였다.
다음에 이 분극처리한 광섬유를 도 5(b)∼도 5(d)에 도시한 바와 같이, 마이크로 가스버어너로 가열하여 저면이 평탄한 U자형 광섬유(굴곡섬유)를 제작하였다. 이때, 분극처리한 개소에 열이 가하여 지지않도록 각 코우너의 가공시간을 10∼30초로 하였고, 또한 화염은 가늘게 위축하여 사용하였다. 완성한 굴곡 광섬유를 사용하여, 도 6에 도시한 차례에 따라서 광섬유 센서를 제작하였다. 유리에폭시 기판(69)에 제작한 광섬유 고정용 홈(68)에 상기 분극처리한 굴곡 광섬유를 접착 고정하였다(도 6(b)). 다음에 이 굴곡 광섬유 및 기판에 광학소자 삽입용 홈(67)을 회전식 톱날로 제작하였다. 다음에 이 홈의 광 입사측으로 편광자와 수정제의 1/4 파장판을 일체화 한 편광소자(63)를 또 출사측에는 검광자(66)를 삽입하여 고정하였다. 또, 광섬유의 분극한 부분에 스테인레스 박판의 전극을 마찬가지로 유리에폭시 기판(69)의 표면(전극을 접착하는 부분의 기판(69)의 두께는 약 0.2㎜로 엷게 가공한 것)에도 마찬가지로 전극을 접착하여 광섬유 센서를 제작하였다(도 6(d)). 더욱이, 도면에서는 전극으로부터의 리이드선은 도면을 알기쉽게 하기 위하여 생략하였다. 이 광섬유 센서에 교류전압 1000V를 인가하였던 바 빛의 변조도는 1.4%이였다. 또, 그때의 SIN 파형의 전압에 대한 왜곡률은 0.5% 이하였다. 또한 이 센서를 -20∼+80℃ 범위에서 온도 특성을 측정하였던바, 실온에서의 변조도를 100으로 규격화하여 ±2% 이내의 양호한 온도 특성이였다. 이것은 광섬유의 분극처리부의 굴절률차가 대략 영인 복굴절이 없는 상태의 전기광학 소자가 제작되었기 때문에 복굴절의 온도특성 등에 의한 광학바이어스의 차이의 발생이 없기 때문이다. 또한, 70℃ 이상의 고온에 있어서도 Bi4Ge3O12결정을 사용하였을 경우, 문제로 되는 DC 드리프트가 관측되지 않아서 안정한 온도 특성을 실현할 수 있었다.
더욱이 여기서는 굴곡섬유의 굽은 부분에서의 빛의 손실을 억제하는 대책은 특별히 하고 있지 않으나 빛의 손실을 극력 작게하고 싶을 때등, 광섬유 굴곡부에 빛의 반사구조(유전체 다층 막이나 금속 페이스트에 의한 도포막)를 제작하여도 좋다.
이상, 본 발명에 의하면 다음의 효과가 있다.
(1) 광섬유에 분극처리를 하는 것만으로 전기광학 효과를 구비하고 또한 파장판의 기능을 겸비한 전기광학 소자를 제작할 수 있으며, 그 결과 광섬유 센서를 용이하게 제작할 수 있다.
(2) 분극처리한 광섬유의 전압을 인가하지 않을 때의 투과광에 대한 위상차의 절대값(δ)이 대략 π/2의 홀수배로 되도록 분극처리함에 따라 직선성이 좋은 광섬유 센서를 실현할 수 있다.
(3) 분극처리한 광섬유의 전압을 인가하지 않을 때의 투과광에 대한 위상차의 절대값(δ)이 대략 영이 되도록 분극처리함에 따라, 광학 바이어스의 온도에 의한 차이가 없고, 양호한 온도특성의 또한 직선성이 양호한 광섬유 센서를 실현할 수 있다.
(4) 종래, 등방적 결정(Bi4Ge3O12) 등으로 문제로 되는 DC 드리프트의 문제가 없는 광변조 소자를 실현할 수 있다.
(5) 광섬유의 분극영역을 길게 함에 따라, 전기광학 소자의 소자길이를 길게 할 수 있게 되어 그 결과, 렌즈가 없는 집적형 광섬유 센서에 있어서도 커다란 감도를 갖는 광섬유 센서를 제작할 수 있다.
(6) 저면이 평탄한 U자형 광섬유를 사용함에 따라, 빛의 입사방향과 출사방향이 평행한 센서로서 이용이 용이한 광섬유 센서를 실현할 수 있다. 이상 설명한 바와 같은, 여러 가지 뛰어난 특징이 있어 본 발명의 고업적 가치는 높다.

Claims (16)

  1. 일정한 형상의 광섬유와, 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고정용 홈을 갖는 기판과, 상기 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈 또는 상기 광섬유 고정용 홈에 부착된 적어도 편광자, 전기광확소자, 검광자로된 광섬유 센서에 있어서 상기 전기광학 소자가 분극처리된 광섬유로 되었고, 상기 전기광학 소자에 전기장이 인가되지 않을 때에 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 다음의 수 1로 나타낼 수 있음을 특징으로 하는 광섬유 센서.
    (수 1)
    (m/2-1/6) π≤δ≤(m/2+1/6)π
    여기서 m은 홀수
  2. 제1항에 있어서, 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 수 2로 나타낼 수 있음을 특징으로 하는 광섬유 센서.
    (수 2)
    π/3≤δ≤2π/3
  3. 일정한 형상의 광섬유와, 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고정용 홈을 갖는 기판과, 상기 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈 또는 상기 광섬유 고정용 홈에 부착된 적어도 편광자, 파장판, 전기광학 소자, 검광자로 된 광섬유 센서에 있어서, 상기 전기광학 소자가 분극처리된 광섬유로 되었고, 상기 전기광학 소자에 전기장이 인가되지 않을 때에 상기 파장판 및 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 다음의 수 3으로 나타낼 수 있음을 특징으로 하는 광섬유 센서.
    (수 3)
    (n/2-1/6) π≤δ≤(n/2+1/6)π
    여기서 n은 홀수
  4. 제3항에 있어서, 전기광학 소자 및 파장판을 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 수 4로 나타낼 수 있음을 특징으로 하는 광섬유 센서.
    (수 4)
    π/3≤δ≤2π/3
  5. 제3항에 있어서, 상이한 2방향으로부터 분극처리된 광섬유로된 전기광학 소자를 사용함을 특징으로 하는 광섬유 센서.
  6. 상이한 2방향이 서로 90도 ± 10도 범위에서 대체로 직교하고 있음을 특징으로 하는 광섬유 센서.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 일정한 형상이 직선임을 특징으로 하는 광섬유 센서.
  8. 제1항 또는 제8항에 있어서, 일정한 형상이 저면이 평탄한 U자형임을 특징으로 하는 광섬유 센서.
  9. 일정한 형상의 광섬유와, 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고정용 홈을 지닌 기판과, 상기 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈 또는 광섬유 고정용 홈에 부착된 적어도 편광자, 전기광학 소자, 검광자로된 광섬유 센서의 제조방법에 있어서, 상기 전기광학 소자는 광섬유가 분극처리 되어 제작되있고, 상기 전기광학 소자에 전기장이 인가되지 않을 때에 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 다음의 수 1 또는 수 2로 나타낼 수 있음을 전기광학 소자를 투과한 빛의 편광상태를 관측하면서 분극처리함을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법.
    (수 1)
    (m/2-1/6) π≤δ≤(m/2+1/6)π
    여기서 m은 홀수
    (수 2)
    π/3≤δ≤2π/3
  10. 제9항에 있어서, 적어도 편광자, 전기광학 소자, 검광자로 되있고 전술한 전기광학 소자에 교류전기장을 인가하였을 때, 상기 검광자를 투과한 빛의 변조신호의 왜곡률이 대략 극소로 되도록 상기 전기광학 소자의 분극처리를 함을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법.
  11. 일정한 형상의 광섬유와, 상기 광섬유를 고정하기 위한 광섬유 고정용 홈을 지닌 기판과, 상기 광섬유의 일정한 개소에 설치된 광학소자 삽입용 홈 또는 상기 광섬유 고정용 홈에 부착된 적어도 편광자, 파장판, 전기광학 소자, 검광자로된 광섬유 센서의 제조방법에 있어서, 상기 전기광학 소자는 광섬유에 전기장을 인가하여 분극처리되어 제작되있고 상기 전기광학 소자에 전기장이 인가되지 않을 때 상기 파장판 및 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 위상차의 절대값(δ)이 수 3 또는 수 4로 나타내었음을 상기 전기광학 소자를 투과한 빛의 편광상태를 관측하면서 분극처리함에 따라 실행하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법.
    (수 3)
    (n/2-1/6) π≤δ≤(n/2+1/6)π
    여기서 n은 홀수
    (수 4)
    π/3≤δ≤2π/3
  12. 제11항에 있어서, 적어도 편광자, 파장판, 전기광학 소자, 검광자로 되었고, 상기 전기광학 소자에 교류전압을 인가하였을 때, 상기 각 검광자를 투과한 직후의 빛의 변조신호의 왜곡률이 대략 극소로 되도록 상기 전기광학 소자의 분극처리를 함을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법.
  13. 제9항 또는 제11항에 있어서, 상이한 2방향으로부터 광섬유를 분극처리함을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 90 ± 10도의 범위내에서 서로 대략직교하는 상이한 2방향으로부터 광섬유를 분극처리함을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법.
  15. 제9항 또는 제11항에 있어서, 일정한 형상이 직선임을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법.
  16. 제9항 또는 제11항에 있어서, 일정한 형상이 저면이 평탄한 U자형 임을 특징으로 하는 광섬유 제조방법.
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