KR19990084669A - 광섬유 격자 및 이를 이용한 광섬유 소자 - Google Patents

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Abstract

광섬유 내에 미세 굴곡을 유도하여 광섬유를 지나는 광의 모드를 다른 모드로 결합시키는 광섬유 격자 및 이를 응용한 광섬유 소자에 대해 개시하고 있다. 본 발명의 광섬유 격자는, 광섬유를 따라 전파되는 광이 서로 다른 모드 사이에 변환을 일으킬 수 있도록 하기 위해, 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력이 외부로부터 가해진 광섬유에, 국소적 가열에 의해 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 형성한 것을 특징으로 한다. 이 광섬유 격자는 광섬유 노치필터, 광섬유 편광기 등에 응용될 수 있을 뿐 아니라, 비대칭적인 모드결합특성을 이용하여 광섬유 파장가변 대역통과필터, 광섬유 주파수 변환기 등에 널리 응용될 수 있다. 또한, 기계적인 강도도 강하고 소자의 안정성도 높기 때문에, 고온에서 오랜 시간이 경과해도 격자특성의 변화에 의한 광섬유 소자의 열화를 방지할 수 있다.

Description

광섬유 격자 및 이를 이용한 광섬유 소자
본 발명은, 광섬유 내에 미세 굴곡을 유도하여 광섬유를 지나는 광의 모드를 다른 모드로 결합시키는 광섬유 격자에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 광섬유 격자를 이용한 광소자에 관한 것으로서, 특히 비대칭적인 모드결합특성을 가진 광섬유격자를 이용하여 만들어지는 광섬유 필터, 광섬유 편광기, 광섬유 파장가변 대역통과필터 및 광섬유 주파수변환기 등의 광소자에 관한 것이다.
통상적으로, 가장 널리 쓰이고 있는 광섬유 격자는 브래그(Bragg)격자로서, 이는 강한 레이저 광을 광섬유에 가하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것이다. 격자의 주기는 보통 수 백 ㎚ 정도이며, 이 광섬유 격자에 다파장 성분을 가진 광을 입사시키면 격자의 주기에 대응하는 특정 파장의 광만 되반사되어 나오게 된다.
한편, 본 발명의 장주기 광섬유 격자는 격자의 주기가 수 백 ㎛에 이르는 것으로서, 장주기 광섬유 격자의 코어를 지나는 특정 파장의 광은 같은 방향의 클래딩모드로 결합된다. 결합된 클래딩모드는 광섬유 재킷 등에 의해 쉽게 제거될 수 있으므로, 이 장주기 광섬유 격자는 특정 파장의 광만 제거하는 대역제거필터(band-rejection filter)로 사용될 수 있다. 이러한 장주기 광섬유 격자는 제조가 용이하고 제조비용도 저렴하며, 부피가 작다는 여러 장점 때문에 광증폭기에서의 이득 평탄화필터(gain-flattening filter) 등에도 널리 이용되리라 예상된다.
이하, 이와 같은 종래기술에 따른 장주기 격자의 제조방법을 도면을 통해 설명함과 더불어 그 문제점을 지적한다.
[광섬유의 감광성을 이용한 제조방법]
도 1은 단일모드 광섬유의 감광성(photosensitivity)을 이용하여 제조된 광섬유 격자의 단면도이다. 이 제조방법은 광섬유 브래그격자의 제조방법과 원리상 동일하다. 다만, 이 제조방법에서는 게르마늄(Ge) 등을 첨가하여 감광성이 향상된 광섬유 코어를 포함하는 특수 광섬유를 사용해야 한다. 도 1을 참조하면, 엑시머(excimer) 레이저(10) 등으로 광섬유의 옆면을 조사하면 광섬유 코어(20)에 분자구조가 변형된 부분(30)이 생기며, 이로 인해 변형부분(30)의 굴절률이 높아진다. 따라서, 레이저 등을 광섬유의 길이방향에 따라 일정한 간격으로 조사하면 굴절률이 주기적으로 변화된 단일모드 광섬유 격자(40)가 제조된다. 이 광섬유 격자의 코어에 광을 입사시키면 특정 파장의 광이 클래딩(cladding) 모드로 결합되어 필터의 역할을 수행할 수 있다.
도 2는 이중모드 광섬유의 감광성을 이용하여 제조된 광섬유 격자의 단면도이다. 이중모드 광섬유 격자(40')도 도 1의 단일모드 광섬유 격자와 동일한 방법으로 제조되나, 광섬유 중심에 대해 비대칭적으로 굴절률이 높아진 부분(30')이 형성되므로, 기본 모드(LP1)를 이차 모드(LP11)로 결합시킬 수 있다.
그러나, 이와 같이 감광성을 이용하여 제조된 광섬유 격자는 모드결합효율이 작아 짧은 길이의 광섬유 격자를 제조하기 어려울 뿐 아니라, 시간이 지남에 따라 격자가 점차 지워지는 문제점이 있다.
[열에 의한 광섬유 코어의 확장을 이용한 방법]
이 광섬유 격자는, 코어에 강한 열을 가할 경우 코어에 첨가된 물질이 분자운동에 의해 확산되는 효과를 이용하여 제조된다. 도 3은 열에 의한 광섬유 코어의 확장을 이용하여 광섬유 격자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 고출력 레이저(12)를 광섬유의 길이방향으로 조사하여 국소적 가열을 행함으로써, 코어(22) 내에서 주기적으로 변화된 반경을 갖는 코어부(24)를 얻는다. 이 때, 국소적 가열을 돕기 위해, 고출력 레이저(12)의 집광을 돕는 볼록렌즈(C)를 사용할 수 있으며, 고출력 레이저 이외에 전기 아아크를 이용할 수도 있다.
그러나, 이러한 광섬유 격자를 제작하기 위해서는, 코어의 열확산 효과를 높이기 위해 질소 등의 분자량이 작은 원소가 첨가된 특수 광섬유를 사용해야 하는 문제점이 있다.
[응력해제에 의한 코어의 굴절률변화를 이용한 방법]
광섬유 제조시 광섬유에 장력이 작용하는 상태에서 냉각을 시키면, 코어와 클래딩의 냉각속도가 다르므로 제조가 완료된 광섬유의 코어에는 응력이 존재하게 된다. 이러한 응력은 광섬유에 다시 열을 가함으로써 제거할 수 있으며, 이 때 응력이 제거된 코어의 굴절률은 다시 상승하게 된다. 이와 같은 현상을 이용하여 광섬유 격자를 제조할 수 있다. 즉, 고출력 레이저나 전기 아아크 등으로 광섬유에 국소적인 열을 가하여 코어의 응력을 제거하여, 굴절률변화를 일으키는 것이다. 단, 이와 같은 방법을 적용하기 위해서는, 사용되는 광섬유의 코어가 게르마늄 등이 첨가물을 포함하지 않은 순수 실리카로 이루어져야 한다.
[광섬유 코어의 주기적 변형을 이용한 방법]
광섬유 코어에 주기적인 구부림을 주면 코어를 진행하던 광이 클래딩 모드 또는 다른 코어 모드로 결합할 수 있다는 것이 알려져 있다. 이 때는 광섬유의 중심에 대해 비대칭적인 변형이 유도되므로, 대칭적인 코어 모드(LP1)가 비대칭적인 코어 또는 클래딩 모드(LP11, LP21, LP31, …)로 결합된다.
도 4는 광섬유 코어에 이러한 주기적 구부림을 주는 방법을 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 서로 맞물릴 수 있도록 표면에 주기적 요철이 형성된 요철판(50) 사이에 삽입된 광섬유(60)가 측방향 압력(F)에 의해 주기적으로 구부러져 있음을 알 수 있다. 그러나, 이러한 방법으로 주기적인 구부림을 유도하는 것은 요철판을 누르는 압력이 쉽게 변할 수 있으므로 안정적이지 못하다는 단점이 있다.
따라서, 주기적인 구부림을 안정적으로 유지하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같은 방법이 제안되었다.
도 5는 광섬유 코어에 주기적 구부림을 주는 종래기술의 다른 방법을 나타내는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 광섬유의 우측부에는 CO2레이저로써 일정한 간격으로 형성한 홈(G)이 있다. 광섬유의 양측에 전극(70)을 위치시키고 전기 아아크(A)를 이용하여 이러한 홈(G)이 형성된 부위를 가열하면 광섬유가 녹으면서 표면장력에 의해, 광섬유의 좌측부와 같이 코어가 변형된다. 물리적인 변형을 이용하는 이 방법은 거의 대부분의 광섬유에 적용할 수 있다는 장점이 있는 반면, 광섬유에 홈을 내기 위해 고출력 레이저가 필요하며, 형성된 광섬유 격자의 기계적 강도가 떨어져 부러지기 쉽다는 단점도 갖는다.
상기한 바와 같이, 종래기술에 의하면 제조된 광섬유 격자의 특성이 좋지 않거나, 광섬유 격자의 제조과정에서 특수한 광섬유만을 이용해야 하거나, 고출력 레이저를 이용해야 하는 문제점을 가지고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 간편하게 제조할 수 있을 뿐 아니라 특성이 우수한 광섬유 격자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 광섬유 격자를 적용하여 구현할 수 있는 우수한 특성의 다양한 광소자를 제공하는 데 있다.
도 1은 단일모드 광섬유의 감광성을 이용하여 제조된 종래기술의 광섬유 격자의 단면도,
도 2는 이중모드 광섬유의 감광성을 이용하여 제조된 종래기술의 광섬유 격자의 단면도,
도 3은 열에 의한 광섬유 코어의 확장을 이용하여 광섬유 격자를 제조하는 종래기술의 방법을 설명하기 위한 단면도,
도 4는 광섬유 코어에 주기적 구부림을 주는 종래기술의 방법을 나타낸 단면도,
도 5는 광섬유 코어에 주기적 구부림을 주는 종래기술의 다른 방법을 나타내는 단면도,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 광섬유 격자를 제조하는 과정을 나타낸 도면들,
도 7은 광통신용 단일 모드 광섬유를 이용한 광섬유 장주기 격자의 필터 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 광섬유의 모드 변환기의 파장에 따른 모드 변환율을 측정한 그래프,
도 9는 이미 알려진 음향광학 광섬유 소자를 나타낸 개략도,
도 10은 도 9에 도시한 음향광학 광섬유 소자와 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자를 이용하여 구현한 광섬유 파장가변 대역통과필터를 나타낸 개략도이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광섬유 격자는, 광섬유를 따라 전파되는 광이 서로 다른 모드 사이에 변환을 일으킬 수 있도록 하기 위해, 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력이 외부로부터 가해진 광섬유에, 국소적 가열에 의해 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 미세 굴곡부들의 각각은, 전기 아아크를 이용해 상기 광섬유를 국소 가열하여 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 미세 굴곡부들이 상기 서로 다른 모드의 맥놀이 주기와 동일한 간격으로 주기적으로 형성될 뿐 아니라, 상기 서로 다른 모드 사이에 완전한 모드변환을 일으킬 수 있도록 사전에 정해진 개수로 형성되도록 할 수 있다. 또한, 상기 미세 굴곡부들의 인접한 것 사이의 간격을 서로 불규칙하게 형성하여 상기 광섬유 격자를 통과하는 광에 대해 원하는 필터 스펙트럼을 얻게 할 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 미세 굴곡부들의 각각의 응력 해소 정도가 서로 다르도록 할 수 있으며, 이 경우, 상기 미세 굴곡부들의 각각은, 전기 아아크의 강도를 달리하여 상기 광섬유를 국소 가열함으로써 형성되게 할 수 있다.
상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광섬유 편광소자는, 광섬유를 따라 전파되는 광의 편광성분에 따라, 서로 다른 모드 사이에 변환을 일으키는 정도를 다르게 할 수 있도록 하기 위해, 광의 편광성분에 따라 유효 굴절률이 다른 광섬유를 준비하는 단계와; 상기 광섬유에 외부로부터 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력을 가하는 단계와; 상기 광섬유를 전기 아아크로 국소 가열하여 국소적으로 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 주기적으로 형성하되, 상기 미세 굴곡부의 간격을 상기 광의 어느 한 편광성분의 결합되는 두 모드 사이의 맥놀이주기와 일치하도록 하는 단계에 의해 만들어져, 상기 광의 어느 한 편광성분에 대해서만 모드변환을 일으키는 것을 특징으로 한다. 이 경우에, 광의 편광성분에 따라 유효 굴절률이 다른 상기 광섬유를 편광유지 광섬유 및 타원형 코어 광섬유 중의 어느 하나로 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 광소자에, 모드변환이 일어난 상기 광의 어느 한 편광성분만을 제거하도록 모드제거수단을 더 구비하면 광섬유 편광기로 사용할 수 있다.
상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 파장가변 광섬유 대역통과필터는, 통과광에 대해 일정 모드변환 선폭 및 가변 모드변환파장을 가지도록, 단일모드 광섬유에 가변주파수의 음파를 유도하여 이루어지는 음향 격자와; 상기 음향 격자에 일렬로 연결되며, 자신의 축에 대해 비대칭적인 모드결합을 일으키는 동시에 상기 음향격자의 모드변환 선폭보다 넓은 모드변환 선폭을 가지는 광섬유 격자와; 상기 광섬유 격자 및 음향 격자를 통과한 비대칭 모드의 광을 제거하는 모드제거수단을 구비함으로써, 원하는 파장의 상기 일정 모드변환 선폭의 광만을 통과시키는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 광섬유 격자로서, 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력이 외부로부터 가해진 광섬유에, 국소적 가열에 의해 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 형성한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광섬유 주파수변환기는, 통과광이 모드변환 및 주파수변환을 동시에 일으키도록, 단일모드 광섬유에 음파를 유도하여 이루어지는 음향 격자와; 상기 음향 격자에 일렬로 연결되며, 자신의 축에 대해 비대칭적인 모드결합을 일으켜서 상기 음향격자에서 모드변환된 광의 모드를 원래 모드로 변환시키는 동시에 변환된 주파수는 그대로 유지시키는 광섬유 격자를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 경우에도, 상기 광섬유 격자로서, 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력이 외부로부터 가해진 광섬유에, 국소적 가열에 의해 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 형성한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
광섬유 코어 모드(LP1)의 유효 굴절률을 n1, 코어 모드와 결합시키고자 하는 모드(LPmn)의 유효 굴절률을 nmn이라고 할 때, 광섬유 격자의 주기 Λ와 모드 변환이 일어나는 광의 중심파장 λ 사이에는 다음 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.
따라서, 원하는 모드 결합을 일으키기 위해서는, 특정한 광섬유, 원하는 모드, 원하는 파장에 맞도록 격자의 주기를 선택해야 한다. 다만, 본 발명의 광섬유 격자에서는 코어 모드가 비대칭적인 모드(예: LP11, LP21, LP31…)로만 결합된다.
본 발명의 광섬유 격자를 제조하는 과정을 나타낸 도 6a 내지 도 6c를 통하여 본 발명의 광섬유 격자에 대해 설명하기로 한다.
우선, 일반 통신용 광섬유, 특수 물질 첨가 광섬유, 편광유지 광섬유, 타원형 코어 광섬유, 타원형 클래딩 광섬유, 분산보상 광섬유, 분산천이 광섬유, 이중모드 광섬유 등의 다양한 광섬유 중에서 용도에 맞는 광섬유를 선택한다. 그 다음, 광섬유의 재킷을 제거하고 이를 두 개의 광섬유 고정대를 이용하여 고정한다.
이 때, 고정된 광섬유에는 구부림 등에 의해 유도된 응력이 없어야 한다. 응력이 있는 경우, 토치불꽃 등으로 광섬유를 가열하여 응력을 사전에 모두 해소시킨다.
그 다음, 도 6a에 도시한 바와 같이, 재킷이 제거된 광섬유(100)의 축에 수직한 방향(T)으로 한쪽 고정대(110)를 평행이동시켜 두 고정대(110, 112) 사이의 광섬유에 단차에 의한 응력을 유도한다. 이 때, 두 고정대(110, 112)를 서로에 대해 일정 각도로 틀어주어 광섬유에 구부림에 의한 응력을 유도하여도 무방하다.
이후, 광섬유(100)의 양측에 수직방향으로 마련한 전극(120)에 일정 전압을 가하여 전기 아아크를 발생시키면, 도 6b에 도시한 바와 같이, 전기 아아크가 닿은 부분의 광섬유가 녹으면서 단차에 의한 응력에 의해 두 고정대(110, 112) 사이의 광섬유에 계단형태의 미세 굴곡부(B)가 형성된다.
그 다음 전극을 광섬유의 길이 방향을 따라 이동시키면서 주기적으로 전기 아아크를 발생시키면, 도 6c에 도시한 바와 같이, 격자간격 L의 광섬유 격자를 완성할 수 있다. 필요에 따라서, 예컨대 원하는 필터 스펙트럼을 얻기 위해 격자간격을 불규칙하게 하여도 무방하다.
또한, 미세 굴곡부들을 서로 다른 모드의 맥놀이 주기와 동일한 간격으로 주기적으로 형성할 뿐 아니라, 상기 서로 다른 모드 사이에 완전한 모드변환을 일으킬 수 있도록 사전에 정해진 개수로 형성할 수도 있다.
그리고, 미세 굴곡부에서의 모드 결합의 세기를 각각 다르게 하기 위해, 미세 굴곡부들의 각각의 응력 해소 정도가 서로 다르도록 할 수도 있는데, 이를 위해, 전기 아아크의 강도를 달리하여 광섬유를 국소 가열함으로써 각각의 미세 굴곡부를 형성하는 것이 바람직하다.
다음, 비대칭적인 광섬유 격자를 적용하여 구현할 수 있는 우수한 특성의 광소자들에 대해 설명하기로 한다.
[단일 모드 광섬유 노치(notch)필터]
도 7은 광통신용 단일 모드 광섬유를 이용한 광섬유 장주기 격자의 필터 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 이 광섬유 장주기 격자는 광통신용 단일 모드 광섬유에 600 마이크론 주기로 75개의 미세 굴곡부를 형성하여 만들어진 것이다. 도 7을 참조하면, 서로 다른 파장에 위치한 세 개의 노치를 관찰할 수 있는데, 이는 코어 모드의 광이 서로 다른 클래딩 모드인 LP12, LP13, LP14로 변환된 후 광섬유 재킷에서 모두 흡수되어 광손실로 나타난 결과이다. 만일 필터의 중심파장을 옮기고 싶은 경우, 이 광섬유 장주기 격자의 주기를 변화시키면 된다.
[이중 모드 광섬유의 모드 변환기]
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 광섬유의 모드 변환기의 파장에 따른 모드 변환율을 측정한 그래프이다. 이 모드 변환기는 이중 모드 광섬유에 515 마이크론 주기로 13개의 미세 굴곡부를 형성하여 제조하였다. 사용된 이중 모드 광섬유는 1300㎚에서 LP1과 LP11의 코어 모드를 전파시키는 동시에 편광을 유지시킬 수 있는 특수 광섬유였다. 1300㎚ 부근에서 28㎚ 파장선폭에서 99% 이상의 모드 변환효율을 얻을 수 있었다. 변환된 LP11모드는 클래딩 모드가 아닌 코어 모드이므로 광섬유 내를 손실없이 진행할 수 있다. 이러한 이중 모드 광섬유 내의 모드 변환은 반드시 비대칭적인 격자에 의해서만 가능하므로 기존의 대칭적인 광섬유 격자에 의한 모드 변환을 통해서는 달성될 수 없다.
[광섬유 편광기]
편광유지 광섬유는 코어 모드의 두 편광에 해당하는 유효 굴절률을 서로 다르게 만든 광섬유이다. 이러한 편광유지 광섬유를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자를 제조하여 광을 입사시키면, 수학식 1에 나타낸 바와 같이 편광에 따라 모드변환 파장이 다르게 된다. 따라서, 어느 특정 파장영역에서는 하나의 편광성분의 광에 대해서만 모드변환이 일어나게 할 수 있다. 이와 같이 하나의 편광성분의 광에 대해서만 모드변환이 일어나게 하는 방법은, 편광유지 광섬유 격자의 주기를 상기 하나의 편광성분의 광이 결합되는 두 모드의 맥놀이주기와 일치하도록 하는 것이다. 단, 이 편광유지 광섬유의 주기와 다른 편광성분의 광이 결합되는 두 모드의 맥놀이주기와는 크게 달라야 한다. 따라서, 이 모드변환이 일어난 광만 제거하는 수단을 더 갖추면 광섬유 편광기로 사용할 수 있다.
[광섬유 파장가변 대역통과필터 및 주파수 변환기]
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 파장가변 대역통과필터를 설명하기 전에, 이를 구성하기 위한 광섬유 소자인 음향광학 광섬유 소자에 대해 먼저 설명하기로 한다. 도 9는 이미 알려진 음향광학 광섬유 소자를 나타낸 개략도이다. 도 9를 참조하면, 유리원추(230)에는 그 첨점부를 지나는 제1 관통공이, 납작한 원통형 압전소자(240)에는 제2 관통공이, 금속지지대(250)에는 제3 관통공이 각각 형성되어 있다. 제1, 제2 및 제3 관통공들이 서로 연통되도록 유리원추(230), 압전소자(240) 및 금속지지대(250)가 서로 접착되어 있어서, 이 관통공에 재킷이 제거된 단일 모드 광섬유(260)가 통과한다. 한편, 압전소자(240)의 일면은 유리원추(230)의 편평면에 접착되어 있고, 타면은 도전성 접착제에 의해 금속지지대(250)에 접착되어 있다. 유리원추(230)의 첨점부도 광섬유(260)에 접착되어 있다. 압전소자(240)의 양단에는 가변 주파수의 교류전압을 인가할 수 있도록 교류전압원(270)이 연결되어 있다. 압전소자(240)의 양단에 교류전압을 인가하여 기계적 진동을 발생시키면 이 진동이 유리원추(230)의 첨점부를 통해 광섬유(260)에 전달되어 광섬유를 따라 미세한 구부러짐의 파동(W), 즉 광섬유 음향 격자를 만들어 낸다. 이 격자의 주기가 광섬유(260)를 지날 수 있는 두 모드, 예컨대 LP1및 LP11모드의 맥놀이 길이(beat length)와 같을 때 한 모드로부터 다른 모드로 모드변환이 일어난다. 이러한 특정 주기의 미세한 구부러짐을 광섬유에 만들기 위해 이에 해당하는 특정 주파수의 교류전압으로 압전소자(240)를 구동시키게 되는데, 모드변환이 발생할 때 이 특정 주파수만큼 광섬유를 통과하는 광의 주파수가 동시에 바뀐다. 음파의 전파거리를 약 10㎝ 정도가 되도록 하면, 이 격자의 모드변환 파장선폭은 수 ㎚가 된다. 또한, 이 음향 격자를 이용한 음향광학 광섬유 소자는, 교류전압의 주파수를 변화시키면 음향격자의 주기가 바뀌기 때문에, 모드변환파장의 위치도 마음대로 변화시킬 수 있다는 특징을 가진다. 따라서, 이 소자는 모드변환기, 파장가변 필터, 주파수 변환기, 광 스위치 등에 다양하게 사용될 수 있다.
도 10은 도 9에 도시한 음향광학 광섬유 소자와 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자를 이용하여 구현한 광섬유 파장가변 대역통과필터를 나타낸 개략도이다. 도 10을 참조하면, 음향광학 광섬유 소자(300)와 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자(310)가 일렬로 연결되어 있다. 음향광학 광섬유 소자(300)는 통과광에 대해 일정 모드변환 선폭 및 가변 모드변환파장을 가지고 있으며, 이에 연결된 광섬유 격자(310)는 자신의 축에 대해 비대칭적인 모드결합을 일으키되 음향광학 광섬유 소자(300)의 모드변환 선폭보다 더 넓은 모드변환 선폭을 가지고 있다. 따라서, 통과광의 대부분은 광섬유 격자(310)에 의해 특정 모드로 변환되고, 이 가운데 수 ㎚ 선폭 정도의 특정 파장의 광만 음향광학 광섬유 소자(300)에 의해 LP1의 코어 모드로 변환된다. 여기서, LP01모드 이외의 광을 제거하는 수단을 추가하면 대역통과형태의 필터 스펙트럼을 얻을 수 있다. 물론 투과된 광의 주파수는 음파의 주파수만큼 커지거나 작아지게 된다.
만약 음향광학 광섬유 소자(300)와 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자(310)의 모드변환선폭이 서로 다르지 않다면, 투과된 광은 모드변환이 없이 광의 주파수만 음파의 주파수만큼 변화되므로 광섬유 주파수 변환기로 사용할 수 있다. 이 경우에는 별도의 모드제거기가 필요하지 않다.
종래에 광섬유 파장가변 대역통과필터 및 주파수 변환기는 이중 모드 광섬유를 사용하여 제조되었는데, 본 발명에 의하면 단일 모드 광섬유만으로도 제조할 수 있다. 또한, 이중 모드 광섬유를 사용하는 경우와는 달리 소자의 편광의존성이 훨씬 작아진다는 장점도 갖는다.
상기한 바와 같이, 광섬유 격자 및 이를 이용한 광섬유 소자는 제조방법이 간단하며 특수한 광섬유를 재료로 요구하지 않는다는 장점이 있다. 광섬유 격자의 모드결합효율이 높아 전체적으로 짧은 길이의 광섬유 소자를 제조할 수 있다는 장점도 갖는다. 또한, 기계적인 강도도 강하고 소자의 안정성도 높기 때문에, 고온에서 오랜 시간이 경과해도 격자특성의 변화에 의한 광섬유 소자의 열화를 방지할 수 있다. 특히, 본 발명의 광섬유 격자는 비대칭적인 모드 결합특성을 가지기 때문에, 광섬유 노치필터, 광섬유 편광기, 광섬유 파장가변 대역통과필터, 광섬유 주파수 변환기 등에 널리 응용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 광섬유를 따라 전파되는 광이 서로 다른 모드 사이에 변환을 일으킬 수 있도록 하기 위해, 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력이 외부로부터 가해진 광섬유에, 국소적 가열에 의해 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 형성한 광섬유 격자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세 굴곡부들의 각각은, 전기 아아크를 이용해 상기 광섬유를 국소 가열하여 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 격자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미세 굴곡부들이 상기 서로 다른 모드의 맥놀이 주기와 동일한 간격으로 주기적으로 형성될 뿐 아니라, 상기 서로 다른 모드 사이에 완전한 모드변환을 일으킬 수 있도록 사전에 정해진 개수로 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 격자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 미세 굴곡부들의 인접한 것 사이의 간격이 서로 불규칙한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 미세 굴곡부들의 각각의 응력 해소 정도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 광섬유 격자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 미세 굴곡부들의 각각은, 전기 아아크의 강도를 달리하여 상기 광섬유를 국소 가열함으로써 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 격자.
  7. 광섬유를 따라 전파되는 광의 편광성분에 따라, 서로 다른 모드 사이에 변환을 일으키는 정도를 다르게 할 수 있도록 하기 위해,
    광의 편광성분에 따라 유효 굴절률이 다른 광섬유를 준비하는 단계와;
    상기 광섬유에 외부로부터 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력을 가하는 단계와;
    상기 광섬유를 전기 아아크로 국소 가열하여 국소적으로 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 주기적으로 형성하되, 상기 미세 굴곡부의 간격을 상기 광의 어느 한 편광성분의 결합되는 두 모드 사이의 맥놀이주기와 일치하도록 하는 단계에 의해 만들어져, 상기 광의 어느 한 편광성분에 대해서만 모드변환을 일으키는 광섬유 소자.
  8. 제7항에 있어서, 광의 편광성분에 따라 유효 굴절률이 다른 상기 광섬유는 편광유지 광섬유 또는 타원형 코어 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 소자.
  9. 제7항에 있어서, 모드변환이 일어난 상기 광의 어느 한 편광성분만을 제거하도록 모드제거수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 광섬유 소자.
  10. 통과광에 대해 일정 모드변환 선폭 및 가변 모드변환파장을 가지도록, 단일모드 광섬유에 가변주파수의 음파를 유도하여 이루어지는 음향 격자와;
    상기 음향 격자에 일렬로 연결되며, 자신의 축에 대해 비대칭적인 모드결합을 일으키는 동시에 상기 음향격자의 모드변환 선폭보다 넓은 모드변환 선폭을 가지는 광섬유 격자와;
    상기 광섬유 격자 및 음향 격자를 통과한 비대칭 모드의 광을 제거하는 모드제거수단을 구비함으로써, 원하는 파장의 상기 일정 모드변환 선폭의 광만을 통과시키는 파장가변 광섬유 대역통과필터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광섬유 격자는, 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력이 외부로부터 가해진 광섬유에, 국소적 가열에 의해 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 파장가변 광섬유 대역통과필터.
  12. 통과광이 모드변환 및 주파수변환을 동시에 일으키도록, 단일모드 광섬유에 음파를 유도하여 이루어지는 음향 격자와;
    상기 음향 격자에 일렬로 연결되며, 자신의 축에 대해 비대칭적인 모드결합을 일으켜서 상기 음향격자에서 모드변환된 광의 모드를 원래 모드로 변환시키는 동시에 변환된 주파수는 그대로 유지시키는 광섬유 격자를 구비하는 광섬유 주파수 변환기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광섬유 격자는, 구부림 또는 단차에 의한 기계적 응력이 외부로부터 가해진 광섬유에, 국소적 가열에 의해 응력이 해소된 복수의 미세 굴곡부들을 그 길이방향으로 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 변환기.
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