KR20000002929A - 멀티클래드 광섬유 및 그를 이용한 장주기 광섬유 격자 - Google Patents

멀티클래드 광섬유 및 그를 이용한 장주기 광섬유 격자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멀티클래드 광섬유 및 그를 이용한 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자에 관한 것으로서, 멀티클래드 광섬유는 광을 도파하며 GeO2-SiO2로 이루어지는 코어; F-SiO2로 이루어지고 코어보다 굴절율이 낮으며 코어를 감싸는 내부클래딩; 및 SiO2로 이루어지고 코어보다 굴절율이 낮으며 내부클래딩을 감싸는 외부클래딩을 포함함을 특징으로 한다. 그리고 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자는, GeO2-SiO2로 이루어지고 광을 도파하는 코어와, F-SiO2로 이루어지고 코어보다 굴절율이 낮으며 코어를 감싸는 내부클래딩과, SiO2로 이루어지고 코어보다 굴절율이 낮으며 내부클래딩을 감싸는 외부클래딩으로 이루어지는 멀티클래드 광섬유의 소정 부위를 어닐링하여 생성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 최적화된 광섬유를 설계할 수 있다. 즉, F의 양, F이 첨가된 내부클래딩(inner clading)의 두께, 코어의 GeO2의 양, 외부 클래딩(outer clading) 글래스 성분비 및 광섬유 인출장력을 통해 최적화된 광섬유를 설계할 수 있다.

Description

멀티클래드 광섬유 및 그를 이용한 장주기 광섬유 격자
본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 클래드가 두 개인 다중클래드(multi-clad) 광섬유 및 그를 이용한 스트레스-이완된(stress-released) 장주기 광섬유 격자에 관한 것이다.
장주기 광섬유 격자들(long period fiber gratings :LPFGs)은 어븀도핑 광증폭기에 사용되는 이득평탄화 필터와 같은 응용분야에서 최근 많은 주목을 끌고 있다. 대부분의 LPFGs 은 저매노실리케이트(germanosilicate) 광섬유에 새긴다. 왜냐하면 상기 광섬유에서 자외선에 의해 유기되는 굴절율변화를 사용하면 주기적인 구조들이 쉽게 얻어지기 때문이다. 상기 굴절율변화는 게르마늄 관련된 유리의 결함의 광민감성(photosensitive)에 기인한다. 이러한 기술은 LPFGs 에 사용되는 광섬유가 기본적으로 photosenitive site 가 있어야 하며, pure-silica-core 광섬유와 같이 내부에 photoreaction center 가 없는 광섬유에는 사용할 수 없다.
도 1a 및 도 1b는 장주기 광섬유 격자의 제조를 설명하기 위한 도면이다. 도 1a는 아크(Arc) 방전으로 장주기 광섬유 격자가 형성된 것을 도시한 것이다. 상기 광섬유 격자의 코어는 pure-silica 로 이루어지며, 클래딩은 fluorine-doped SiO2로 이루어진다. 도 1b는 모재(Preform)상태와 인출(drawn)상태 및 어닐링된(Annealed) 상태에서의 잔류스트레스(Residual Stress)와 굴절율(Refractive Index)과의 관계를 도시한 것이다. SiO2코어에다 플로린(Fluorine)을 doping 하면, 굴절율이 낮아지므로 도 1b와 같은 굴절율 분포를 갖는다. 모재(preform) 상태에서는 스트레스가 있게 마련인데, 이는 열 팽창 계수가 달라 스트레스가 생긴다. 모재는 높은 온도에서 식혀서 만든다. rod를 만들려면 2300℃의 고온에서 만든다. 열팽창이 다르기 때문에 코어에 스트레스가 생긴다. 모재를 인장하여 코어를 만들면 상기 코어에 스트레스가 생기고 그 굴절율은 낮아진다. 상기 도 1a에 도시된 광섬유 격자에서, 인출강도가 높을수록 photoelestic 효과로 인해 고 점성(high viscosity) 코어 영역에서의 신장 스트레스(tensile stress)는 증가한다. 상기 광섬유를 어닐링(annealing)하면, 잔류 스트레스(residual stress)는 쉽게 이완될 수 있고, 굴절율은 모재(preform) 상태의 굴절율로 쉽게 복원될 수 있다. 결국 LPFGs 에 필수적인 주기적인 구조는 단계적인 어닐링(step-by-step annealing)에 의해 형성될 수 있다. 도 1a에 도시된 상기 광섬유 코어에서 검은 띠는 어닐링으로 인해 잔류 스트레스가 이완되어 굴절율이 높아진 것을 나타내고, 흐린 띠는 어닐링이 되지 않았으므로 상기 검은 띠보다 상대적으로 굴절율이 낮다. 상기 어닐링은 Arc 방전이나 CO2레이저를 사용하여 이루어진다.
그러나 상기와 같은 구조를 갖는 광섬유를 어닐링하여 장주기 광섬유 격자를 생성할 때, 그 특성을 조절하기 위해서는 상기 광섬유에 포함된 플로린(F)의 양을 조절하거나 광섬유 인출강도(drawing tension)를 조절하는 방식으로 한다. 그러나 상기 F의 양이나 인출강도 만으로는 최적의 장주기 광섬유 격자를 얻기가 쉽지 않다.
한편, 장주기 광섬유 격자를 만들 수 있는 다른 방법으로는 도 2에 도시된 바와 같이 N2도핑된 코어와 SiO2클래딩으로 이루어진 광섬유를 arc 방전이나 CO2레이저를 사용하여 어닐링하여 LPFGs를 만들 수 있다. 그러나 이렇게 할 경우, 상기 N2에 대한 신뢰성(reliablity)에 문제가 있을 수 있다. 상기 N2는 오랜 시간이 경과하면 코어에서 빠져나가서 굴절율에 문제가 생길 수 있다.
그리고 장주기 광섬유 격자를 만드는 또 다른 방법으로는 도 3에 도시된 바와 같이 SiO2-GeO2코아와 SiO2클래딩으로 이루어진 광섬유에 H2를 집어넣고 UV 레이저를 가하여 LPFGs를 제조하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 life time이 길지 못하고 신뢰성에 문제가 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 멀티클래드 광섬유를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 상기 멀티클래드 광섬유를 이용한 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자를 제공하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 장주기 광섬유 격자의 제조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 N2도핑된 코어와 SiO2클래딩으로 이루어진 광섬유를 arc 방전이나 CO 레이저를 사용하여 어닐링하여 장주기 광섬유 격자를 만들 수 있는 방법을 도시한 것이다.
도 3은 SiO2-GeO2코아와 SiO2클래딩으로 이루어진 광섬유에 H2를 집어넣고 UV 레이저를 가하여 장주기 광섬유 격자를 제조하는 방법을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 멀티클래드 광섬유의 구조를 도시한 것이다.
도 5는 GeO2및 F의 도핑농도에 따른 온도팽창계수를 도시한 것이다.
도 6은 glass 온도에 따른 glass 상태 및 액체상태(Liquid state)에서의 온도팽창계수를 도시한 것이다.
도 7은 코어의 D/d 비(ratio) 변화에 따른 코어의 열적 스트레스(Themal stress)를 도시한 것이다.
도 8은 △+값에 따른 코어의 열적 스트레스를 도시한 것이다.
도 9는 △-값에 따라 코어에서의 잔류 기계적스트레스의 변화를 도시한 것이다.
도 10은 D/d의 비에 따른 잔류 기계적 스트레스의 변화를 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 멀티클래드 광섬유는, 광을 도파하며, GeO2-SiO2로 이루어지는 코어; F-SiO2로 이루어지고, 상기 코어보다 굴절율이 낮으며, 상기 코어를 감싸는 내부클래딩; 및 SiO2로 이루어지고, 상기 코어보다 굴절율이 낮으며, 상기 내부클래딩을 감싸는 외부클래딩을 포함함이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자는, GeO2-SiO2로 이루어지고 광을 도파하는 코어와, F-SiO2로 이루어지고 상기 코어보다 굴절율이 낮으며 상기 코어를 감싸는 내부클래딩과, SiO2로 이루어지고 상기 코어보다 굴절율이 낮으며 상기 내부클래딩을 감싸는 외부클래딩으로 이루어지는 멀티클래드 광섬유의 소정 부위를 어닐링하여 생성됨을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명에 의한 멀티클래드 광섬유의 구조를 도시한 것으로서, 코어(40), 내부클래딩(42) 및 외부클래딩(44)로 이루어진다. 상기 코어(40)는 광을 도파하며, GeO2-SiO2로 이루어진다. 상기 내부클래딩(42)는 상기 코어(40)를 감싸고 있으며, 상기 코어(40)보다 굴절율이 낮고, F-SiO2로 이루어진다.
상기 외부클래딩(44)는 상기 내부클래딩(42)를 감싸고 있으며, 상기 코어보다 굴절율이 낮으며, SiO2로 이루어진다.
상기와 같은 구조를 갖는 멀티클래드 광섬유를 도 1a에 도시된 바와 같이 아크방전이나 CO2레이저를 이용해서 어닐링하면, 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자를 얻을 수 있다. 이 때, 상기 멀티클래드의 광섬유는 상기 내부클래딩(42)을 구성하는 F의 양, 상기 내부클래딩(42)의 두께, 상기 코어(40)의 GeO2의 양, 상기 외부 클래딩(44)의 SiO2성분비 및 광섬유인출장력 중에서 적어도 하나를 조절하면 최적화된 광섬유를 설계할 수 있다.
도 5는 GeO2및 F의 도핑농도에 따른 온도팽창계수를 도시한 것으로서, α는 온도팽창계수를 나타낸다.
도 6은 glass 온도에 따른 glass 상태 및 액체상태(Liquid state)에서의 온도팽창계수를 도시한 것으로서, α1, α2, α3는 glass 상태에서의 layer 1,2,3의 온도팽창계수를 나타내며, α* 1,α* 2,α* 3 는 액체상태에서의 layer 1,2,3의 온도팽창계수를 나타낸다. 여기서 layer 1은 코어, layer 2는 내부클래드, layer 3는 외부클래드를 나타낸다. 그리고 Tg1,Tg2,Tg3 는 각 layer에서의 Tg값을 나타내며, 3개의 온도 범위(Tg1<T<Tg3, Tg2<T<Tg1, T<Tg2)존재하며, glass 상태 구조가 각각 다르고 α값들의 각 layer에서 순서가 다름을 나타낸다.
도 7은 코어의 D/d 비(ratio) 변화에 따른 코어의 열적 스트레스(Themal stress)를 도시한 것으로서, d는 코어의 직경, D는 내부클래드(inner clad)의 직경을 나타낸다. 도 7에서 코어의 D/d 비율이 다르게 설계되어도 코어의 스트레스가 거의 변하지 않음을 알 수 있다.
도 8은 △+값에 따른 코어의 열적 스트레스를 도시한 것으로서, △가 0.0035로 고정되고, 코어 반경이 고정되었을 때, 주어진 D/d에 대해서 코어의 굴절율증가(△+의 증가)가 열적 스트레스의 선형적 증가를 일으킨다. 즉, 내부클래드의 굴절율 변화에 의존함이 없이 열적 스트레스가 코어의 굴절율에만 의존성을 나타낸다. 여기서, △+= (코어클래드 굴절율 - 외부클래드 굴절율)/외부클래드 굴절율, △-= (내부클래드 굴절율 - 외부클래드 굴절율)/외부클래드 굴절율이다.
도 9는 △-값에 따라, 즉 내부클래드의 굴절율 변화에 따라 코어에서의 잔류 기계적스트레스(Residual Mechanical stress)의 변화를 도시한 것으로서, △-값이 증가함에 따라, 즉 내부클래드의 굴절율이 증가함에 따라, 스트레스가 압축력(compression)에서 인장력(tension )으로 감을 알 수 있다. 그리고 F의 양이 증가하면 내부클래드의 굴절율 증가한다.
도 10은 D/d의 비에 따른 잔류 기계적 스트레스의 변화를 도시한 것으로서, D/d비가 증가하면 잔류 기계적 스트레스가 압축력(compression)에서 인장력(tension )으로 감을 알 수 있다. 그리고 F 첨가층의 두께가 증가하면 D/d 비가 증가한다.
본 발명에 의하면, 최적화된 광섬유를 설계할 수 있다. 즉, F의 양, F이 첨가된 내부클래딩(inner clading)의 두께, 코어의 GeO2의 양, 외부 클래딩(outer clading) 글래스 성분비 및 광섬유 인출장력을 통해 최적화된 광섬유를 설계할 수 있다.

Claims (5)

  1. 광을 도파하며, GeO2-SiO2로 이루어지는 코어;
    F-SiO2로 이루어지고, 상기 코어보다 굴절율이 낮으며, 상기 코어를 감싸는 내부클래딩; 및
    SiO2로 이루어지고, 상기 코어보다 굴절율이 낮으며, 상기 내부클래딩을 감싸는 외부클래딩을 포함함을 특징으로 하는 멀티클래드 광섬유.
  2. GeO2-SiO2로 이루어지고 광을 도파하는 코어와, F-SiO2로 이루어지고 상기 코어보다 굴절율이 낮으며 상기 코어를 감싸는 내부클래딩과, SiO2로 이루어지고 상기 코어보다 굴절율이 낮으며 상기 내부클래딩을 감싸는 외부클래딩으로 이루어지는 멀티클래드 광섬유의 소정 부위를 어닐링하여 생성됨을 특징으로 하는 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 어닐링은
    아크방전(arc dischagre)을 사용함을 특징으로 하는 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 어닐링은
    CO 레이저를 사용함을 특징으로 하는 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자.
  5. 제2항에 있어서, 상기 멀티클래드 광섬유는
    상기 내부클래딩의 F의 양, 상기 내부클래딩의 두께, 상기 코어의 GeO2의 양, 상기 외부 클래딩의 SiO2성분비 및 광섬유인출장력 중에서 선택된 적어도 하나를 조절하여 생성된 멀티클래드 광섬유임을 특징으로 하는 스트레스 이완된 장주기 광섬유 격자.
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