KR20010002313A

KR20010002313A - 광섬유 클래딩 모드의 분산특성을 조절하는 방법

Info

Publication number: KR20010002313A
Application number: KR1019990022063A
Authority: KR
Inventors: 오경환; 정훈; 서홍석
Original assignee: 김효근; 광주과학기술원
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2001-01-15
Also published as: KR100339041B1

Abstract

본 발명은 광섬유 클래딩 모드의 분산특성을 조절하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 크롬 또는 바나듐과 같은 천이금속을 광섬유 클래드 영역에 첨가하여 광섬유의 코어와 클래딩 사이의 모드 결합(coupling)을 변화시켜 분산특성을 조절하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 천이금속이 가시광선 영역에서 높은 천이강도를 가짐으로써 광섬유에서 클래딩 모드의 분산 특성을 변화시킬 수 있다는데 착안하여 화학기상증착법 (MCVD; Modified Chemical Vapor Deposition)에 의하여 실리카 광섬유의 코어에 게르마늄(Germanium)을 첨가하고 클래딩에 천이금속을 첨가하여 분산특성을 조절하는 방법이다.

본 발명에 의해 분산특성이 변화된 광섬유는 코어 모드와 클래딩 모드의 결합을 이용하는 장주기격자(Long Period Grating) 또는 음향광학가변필터(Acousto-Optic Tunable Filter)등에 응용할 수 있다.

Description

광섬유 클래딩 모드의 분산특성을 조절하는 방법{Management Method for Dispersive Characteristics of An Optical Fiber Cladding Mode}

본 발명은 광섬유 클래딩 모드의 분산특성을 조절하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 크롬 또는 바나듐과 같은 천이금속을 광섬유 클래드 영역에 첨가하여 광섬유의 코어와 클래딩 사이의 모드 결합(coupling)을 변화시켜 분산 (dispersion) 특성을 조절하는 방법에 관한 것이다.

빛이 공기 중에서 어떤 매질로 입사하면 빛은 그 매질의 굴절율에 따라 빛이 굴절하는데 매질의 굴절률을 n, 빛의 속도인 3×10⁸m/sec를 c, 매질 내에서의 빛의 속도를 ν라 하면 매질의 굴절률 n은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

이러한 굴절률은 파장의 함수이며 파장에 따른 굴절률의 변화는 일반적으로 아래의 셀마이어(Sellmeier) 방정식으로 구할 수 있다.

(2)

여기에서 A는 셀마이어 계수, G_k는 공진강도, λ는 파장, λ_k는 공진파장을 나타낸다. 이와 같은 파장에 따른 굴절률의 변화를 분산(dispersion)이라 한다.

광섬유 클래드 모드의 분산 특성을 계산하기 위해 순수한 실리카 유리에 천이 금속 원소를 첨가하고 셀마이어 방정식을 이용하여 굴절률 변화를 구해야 하는데 셀마이어 방정식을 이용하기 위해서는 셀마이어 계수와 공진파장, 공진 강도에 대한 데이터가 필요하나, 천이금속이 첨가된 실리카 유리에 대한 공진파장, 공진강도에 대한 데이터가 없기 때문에 크라머스-크로닉(Kramers-Kronig) 관계식을 사용한다. 크라머스-크로닉 관계식에서 굴절률은 기지 재료의 흡수 계수에 대한 함수로 표현되고 이는 다음과 같이 식 (3)으로 나타낼 수 있다.

(3)

여기에서 n(λ₀)은 특정 파장에 대한 굴절률 값을, α()는 기지 재료의 흡수 계수, P는 커치(Cauchy) 적분에서 이론치(principle part), λ는 적분 변수이며, λ₀은 특정파장 값을 나타낸다.

천이금속은 일반적으로 색 매개체(coloring agent)로 이용되기 때문에 천이금속이 첨가된 유리에서의 광학 특성에 대한 많은 연구가 이루어졌다. 슐츠(Peter C. Schultz, Journal of The American Ceramic Society, Vol. 57, No. 7, 1974)는 순수 실리카 유리에 천이금속을 첨가하여 흡수 스펙트럼 등을 계산한 결과를 발표한 바 있으나 본 발명과 같이 천이 금속을 광섬유에 첨가하여 분산 특성을 변화시키는 연구는 이루어지지 않았다.

본 발명은 화학기상증착법에 의하여 광섬유의 코어에 게르마늄을, 클래딩 영역에 천이금속으로 크롬 또는 바나듐을 첨가하여 광섬유 클래딩 모드의 분산 특성을 조절하는 것을 목적으로 한다.

도 1(a)는 순수 실리카 유리의 분산 특성을 대략적으로 나타낸 그래프,

(b)는 천이금속 첨가에 의한 실리카 유리의 분산 특성을 대략적으로 나타낸 그래프.

도 2(a)는 순수한 실리카 유리와 크롬의 첨가에 따른 실리카 유리의 굴절률 변화를 나타낸 그래프,

(b)는 순수한 실리카 유리와 바나듐 첨가에 따른 실리카 유리의 굴절률 변화를 나타낸 그래프.

도 3(a)는 크롬을 첨가한 실리카 유리의 파장에 대한 굴절률 값의 기울기 변화를 나타낸 그래프,

(b)는 바나듐을 첨가한 실리카 유리의 파장에 대한 굴절률 값의 기울기 변화를 나타낸 그래프.

도 4(a)는 순수한 실리카 유리와 5,000 ppm 크롬이 첨가된 실리카 유리의 재료분산 특성을 나타낸 그래프,

(b)는 순수한 실리카 유리와 5,000 ppm 바나듐이 첨가된 실리카 유리의 재료분산 특성을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명에서 사용된 광섬유 구조.

도 6(a)는 순수 실리카 유리의 클래딩 모드 유효 굴절률을 나타낸 그래프,

(b)는 2,000ppm 크롬이 첨가된 실리카 유리의 클래딩 모드 유효 굴절률을 나타낸 그래프,

(c)는 2,000ppm 바나듐이 첨가된 실리카 유리의 클래딩 모드 유효 굴절률을 나타낸 그래프.

도 7(a)는 순수 실리카 유리의 클래딩 모드 분산값을 나타낸 그래프,

(b)는 2,000 ppm 크롬이 첨가된 실리카 유리의 클래딩 모드 분산값을 나타낸 그래프,

(c)는 2,000 ppm 바나듐이 첨가된 실리카 유리의 클래딩 모드 분산값을 나타낸 그래프이다.

광섬유에서 분산은 크게 기지재료에 의한 재료분산(material dispersion)과 광섬유 구조에 의한 광도파로 분산(waveguide dispersion)이 있다. 종래에는 코어 (core) 영역의 분산 특성을 변화시키기 위해 코어 영역의 광도파로 구조를 변화 시키거나 코어에 첨가하는 물질을 변화시켰으며, 클래드(clad) 영역의 분산 특성을 변화시키기 위하여 외부 증착 공정(Outside Vapor Deposition, OVD) 방법을 사용하여 클래드 영역의 광도파로 구조를 변화시켜 광도파로 분산 특성을 변화시켰다. 그러나 이러한 클래드 영역의 광도파로 구조 변화는 일반적으로 광섬유 제조에 사용되는 화학기상증착법에서는 사용이 불가능하다. 따라서 본 발명에서는 클래드 영역의 재료분산 특성을 변화시키고자 하며 이러한 클래드 영역의 분산 특성 변화는 코어 모드와 클래딩 모드 사이에서의 모드결합(mode coupling)을 기본으로 하는 장주기 격자(Long period grating)나 음향 광학 가변 필터(Acousto-Optic tunable filter)와 같은 광 응용 소자들을 설계할 때 자유도(degree of freedom)를 증가시킬 수 있다.

실리카 유리는 전자의 천이에 의한 자외선 영역의 흡수 밴드와 분자의 진동에 의한 적외선 흡수 밴드가 있으며 이러한 두 흡수 밴드에 의해 기지 유리의 굴절률과 분산 특성이 결정된다. 도 1(a)는 두 흡수 밴드에 의한 분산 특성을 대략적으로 나타내고 있는데 밑의 그래프는 순수 실리카 유리의 흡수 밴드에 해당하고, 위의 그래프는 순수 실리카 유리의 흡수 밴드에 의해 결정되는 굴절률 분산 특성이다. 도 1(b)는 자외선 흡수 밴드와 적외선 흡수 밴드 중간에 임의의 흡수 밴드가 첨가되었을 경우의 분산 특성을 보여주고 있으며 도 1(a)와 (b)를 비교하면 도 1(b)에서 임의의 흡수밴드가 첨가된 부근의 굴절률 분포가 순수 실리카 유리에서의 굴절률 분포와 달라지는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 임의 흡수 밴드 첨가에 의해 분산 특성을 변화시킬 수 있다.

본 발명에서는 클래드에 천이금속으로 크롬(Cr) 또는 바나듐(V)을 첨가하여 클래딩의 분산특성을 조절하고자 한다. 클래딩 분산특성을 조절하기 위해 크롬 또는 바나듐을 사용한 이유는 크롬 또는 바나듐은 가시광선 영역에서 빛의 흡수 정도를 나타내는 진동강도(oscillator strength)가 크며, 광통신에서 사용되는 1.3㎛와 1.5㎛ 대역에서 낮은 흡수계수를 가지므로 이들을 광섬유에 첨가시 이러한 광대역에서 순수 실리카 유리와는 다른 분산 특성을 보이기 때문이다.

도 2(a)는 크라머스-크로닉 관계식을 사용하여 순수한 실리카 유리와 실리카 유리에 500∼5,000 ppm의 크롬 첨가에 따른 굴절률 변화를 나타낸 그래프이고 (b)는 순수한 실리카 유리와 실리카 유리에 1,000∼5,000 ppm의 바나듐이 첨가된 실리카 유리의 굴절률 변화를 계산한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3(a)는 순수한 실리카 유리와 1,000∼5,000 ppm의 크롬이 첨가된 실리카 유리의 파장에 대한 굴절률 값의 기울기 변화를 나타내고 있으며 (b)는 순수한 실리카 유리와 1,000∼5,000 ppm의 바나듐이 첨가된 실리카 유리의 파장에 대한 따른 굴절률 값의 기울기 변화를 나타내고 있다. 도 3(a)으로부터 크롬이 2,000 ppm 첨가된 실리카 유리는 순수한 실리카 유리와 비교하여 굴절률 기울기가 약 0.00002 정도 변화됨을 알 수 있으며 (b)로부터 2,000 ppm의 바나듐이 첨가된 실리카 유리는 순수한 실리카 유리와 비교하여 굴절률 기울기가 약 0.00005 정도 변화됨을 알 수 있다. 바나듐 첨가에 의해 굴절률 기울기 값이 더 큰 이유는 바나듐의 흡수대역이 크롬에 비해 좀더 적외선 영역에 가깝기 때문이다. 이러한 파장에 대한 굴절률 값의 기울기 변화는 천이 금속 첨가에 의해서만 가능하다. 이렇게 구한 굴절률 값을 이용하여 다음 식(4)를 사용하여 재료분산 값을 계산할 수 있다.

(4)

한편 도 4(a)는 상기 식 4를 이용하여 순수 실리카 유리의 재료분산 값과 크롬이 5,000 ppm 첨가된 실리카 유리의 재료분산 값을 나타낸 그래프이고 (b)는 순수 실리카 유리의 재료분산 값과 바나듐이 5,000ppm 첨가된 실리카 유리의 재료분산 값을 나타낸 그래프이다. 크롬을 첨가한 실리카 유리는 순수 실리카 유리의 분산특성과 비슷한 특성을 보였으며 약 2ps/nm/km 정도의 차이를 보인 반면 바나듐을 첨가한 실리카 유리의 재료분산 값은 바나듐의 흡수밴드가 적외선 영역에 근접해 있으므로 순수 실리카 유리의 분산특성과 큰 차이를 보인다.

다음으로 각 모드들의 유효 굴절률(effective index)과 재료분산과 광도파로 분산값을 합한 전체 분산값을 계산하였다. 각 모드들은 클래드에서 도파되기 위해서 다음과 같은 특성 방정식 (5)를 만족해야 한다.

(5)

여기에서 J와 K는 베셀(Bessel) 함수를, n은 각 모드의 아지머탈 수 (azimuthal number)를, ε₁은 클래딩의 유전률, ε₂은 공기의 유전률을 나타내며, u와 w는 빛의 전파 인자를 표현하는 변수로 정규 주파수 V와는 V²=u²+w²와 같은 관계가 있다.

도 5는 본 발명에서 사용된 광섬유 구조를 나타내고 있으며 천이 금속이 첨가된 클래드의 직경은 125㎛, 코어의 직경은 9㎛, 코어와 클래드의 굴절률 차이는 약 0.0051이며 공기의 굴절률 값은 1로 정했다. 도 6(a)는 상기의 조건을 가지고 순수한 실리카 광섬유의 HE₁₁모드에서 HE₁₂₀모드까지의 유효 굴절률을 나타낸 그래프이고, (b)는 크롬 2,000 ppm이 클래드에 첨가된 광섬유의 HE₁₁모드에서 HE₁₂₀모드까지의 유효 굴절률을 나타낸 그래프이고, (c)는 바나듐 2,000 ppm이 클래드에 첨가된 광섬유의 HE₁₁모드에서 HE₁₂₀모드까지의 유효 굴절률을 나타낸 그래프이다. 크롬을 첨가함으로써 각 모드들의 유효 굴절률 값이 순수 실리카 유리의 유효 굴절률에 비해 약 0.001 정도 변화되었으며 바나듐의 경우 약 0.0001 정도 변화가 있음을 알 수 있다. 크롬을 첨가하여 유효 굴절률 값이 약 0.001 변했다는 것은 도 6(a)와 (b)를 비교하면 알 수 있듯이 순수 실리카 기지에서 유효 굴절률 값이 약 0.001정도 변하면 각 파장대에서의 모드 번호가 몇 개는 변했다는 것을 의미하며 이를 통해 코어 모드와 결합되는 클래드 모드를 변화시킬 수 있음을 나타낸다.

전체 분산값은 유효 굴절률을 파장에 대해 두 번 미분함으로써 구할 수 있는데 도 7(a)는 순수 실리카 유리에 대해 HE₁₁모드에서 HE₁₂₀모드까지의 전체 분산값을 나타낸 그래프이고, (b)는 크롬이 2,000 ppm 첨가된 실리카 유리에 대해 HE₁₁모드에서 HE₁₂₀모드까지의 전체 분산값을 나타낸 그래프이고, (c)는 바나듐이 2,000 ppm 첨가된 실리카 유리에 대해 HE₁₁모드에서 HE₁₂₀모드까지의 전체 분산값을 나타낸 그래프이다. 크롬의 경우 순수 실리카에 비해 분산값이 약 3,300,000ps/nm/km 정도 변화하였고 바나듐의 경우 약 270,000ps/nm/km 정도 변하였음을 알 수 있다.

한편 본 발명에서 광섬유 클래딩 모드의 분산특성을 조절하기 위한 방법은 다음과 같다.

광섬유 클래딩 제작시에는 SiCl₄400∼450 SCCM(Standard Cubic Centimeter per Minute), POCl₃80∼100 SCCM, CF₄5∼10 SCCM을 사용하여 1,900∼2,000℃에서 화학기상증착법(MCVD)으로 증착한다. 코어는 SiCl₄100∼150 SCCM, GeCl₄65∼95 SCCM을 첨가하여 1,600∼1,700℃에서 수트(soot) 층을 화학기상증착법으로 증착한다. 한편 클래딩의 분산특성을 조절하기 위해 첨가하는 크롬 또는 바나듐의 천이금속은 용액도핑(solution doping)법으로 첨가한다. 용액은 99.99% 이상의 고순도를 가지는 알콜 250㎖에 크롬 또는 바나듐의 농도가 1,000∼5,000 ppm, 알루미늄의 농도는 6,000∼9,000 ppm으로 제조한다.

이하 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이 실시예가 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

＜ 실시예 ＞

본 발명의 광섬유 클래딩 제작시에는 SiCl₄에 CF₄와 POCl₃를 첨가하였다. POCl₃는 작업 온도를 낮추고 SiCl₄의 유동성을 증가시키기 위하여 첨가하며 POCl₃에 의해 증가하는 굴절률은 CF₄를 첨가하여 낮추어 순수 실리카의 굴절률이 되게 제작하였다. 각각의 양은 SiCl₄가 400 SCCM, POCl₃는 80 SCCM, CF₄는 5 SCCM을 사용하며 클래드는 1,980℃에서 화학기상증착법으로 증착하였다. 코어는 SiCl₄100 SCCM, GeCl₄65 SCCM을 첨가하여 1,680℃에서 수트(soot) 층을 화학기상증착법으로 증착한 후 코어와 클래드의 굴절률 차이(△)가 0.35%가 되게 하였다. 천이금속은 크롬을 사용하여 용액도핑(solution doping)법으로 의해 첨가하였는데 용액은 크롬 1,000 ppm, 알루미늄 6,000 ppm으로 크롬과 알루미늄의 비율이 1대 6이 되게 하였으며 이를 99.99% 이상의 고순도 알콜 250㎖을 첨가하여 천이 금속을 용해하여 제조하였다.

본 발명에서 개발한 광섬유의 클래딩 모드의 분산특성 조절방법은 보편적인 화학기상증착 공정과 용액도핑 공정으로 쉽게 이룰 수 있으며 천이 금속의 농도와 클래드에서의 천이 금속의 분포를 변화시킴으로서 쉽게 코어 모드와 클래딩 모드의 결합을 변화시킬 수 있다.

Claims

실리카 광섬유의 클래드 영역에 가시 광선 영역에서 천이 강도가 높고 광통신용 파장대에서의 흡수 계수가 낮은 크롬 또는 바나듐을 용액도핑법으로 첨가하여 광섬유 클래딩 모드의 분산특성을 조절하는 방법.
제 1항에 있어서, 크롬 또는 바나듐의 사용량은 1,000∼5,000 ppm인 것을 특징으로 하는 광섬유 클래딩 모드의 분산특성을 조절하는 방법.