KR20010031369A - 광 도파관의 직경변동 검출 방법 및 일정 직경의도파관에서 광 섬유 도파관 그레이팅의 생성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 도파관 그레이팅(Gratings) 생성 방법 및 장치에 관한 것으로써, 특히 광 섬유 그레이팅 및 광 섬유와 같은 광 도파관의 특성에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은 물리적 피치의 광도파관에서 첩드 그레이팅을 생성하는 단계와, 첩드 그레이팅의 예상 시간 지연으로부터 편차를 측정하는 단계로 이루어진다.

Description

광 도파관의 직경변동 검출 방법 및 일정 직경의 도파관에서 광 섬유 도파관 그레이팅의 생성 방법{FABRICATING OPTICAL WAVEGUIDE GRATINGS AND/OR CHARACTERISING OPTICAL WAVEGUIDES}

첩드(chirped) 광 섬유 그레이팅은 특히 낮은 손실 및 높은 분산성을 갖는 밀집된 분산 비교에 적절할 것이고, 특별한 분산 쉬프트에 영향을 주거나 분산 비교 광 섬유등의 비선형 효과에는 주효하지 않을 것이다.

분산 비교를 위해 광 섬유 그레이팅을 포함한 전송 실험이 많은 곳에서 성공적으로 증명되어 왔다. 그리고 광 섬유 그레이팅의 성능은 분산 플파일에 더 정확한 제어를 할 수 있는 분산 비교 시스템을 발전시키고, 특히 높은 비트 레이트 시스템들이 요구하는 시간 지연의 감소와 3차 보정의 추가에도 기여할 것이다.

도 7a 내지 도 7d는 선형적인 첩드(chirped) 광 섬유 그레이팅에서 발생할 수 있는 문제를 설명하기 위한 도면이다.

여기서 도 7a와 도 7c는 그레이팅의 시간 지연 영향 및 특성을 나타낸 도면이고, 도 7b와 도 7d는 기대되는 특성에서의 편차를 나타낸 도면이다.

광 섬유 브래그 그레이팅(gratings)은 광 섬유 시스템의 연구 및 개발에서 가장 두드러진 분야중의 하나이다. 많은 시스템들이 레이저 및 센서와 같은 브래그 그레이팅의 정확한 파장 선택 용량에 의존하고 있으며, 더욱 많은 시스템들이 미래에 높은 품질의 브래그 그레이팅을 이용할 것이다.

아마 브래그 그레이팅은 통신 시스템 또는 분산 비교 분야에서 두드러진 영향을 미칠 것이다.

본 발명은 광 도파관 그레이팅(Gratings) 생성 방법 및 장치에 관한 것으로써, 특히 광 섬유 그레이팅 및 광 섬유와 같은 광 도파관의 특성에 관한 것이다.

본 발명에서는 광 파장에서 직경의 변화를 검출하는 방법과 물리적 피치(pitch)로 알려진 광 도파관에서 첩드(chirped) 그레이팅의 생성 스텝의 방법과 첩드 그레이팅의 예상 시간 지연에 관한 편차 측정 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 일정 직경의 파장을 갖는 광 섬유 도파관 그레이팅의 생성 방법을 제공한다. 이 생성방법은 다음과 같은 반복 스텝으로 구성된다. 즉, 물리 피치로 알려진 광 도파관에서 일부의 그레이팅부분에 대한 생성 스텝과, 가장 최근에 제안된 그레이팅 부분에서의 기대되는 응답으로부터의 편차 측정 스텝과, 그리고 가장 최근에 제안된 그레이팅 부분에서 측정된 편차에 의존하여 다음 그레이팅 부분에 기입된 변화되는 그레이팅 파라미터의 측정 스텝으로 구성된다.

또한 본 발명은 일정 직경의 도파관에 대한 광 그레이팅의 생성 방법을 제공한다. 이 생성방법은 그레이팅을 따른 위치에서 그 위치의 도파관 직경의 반대되는 그레이팅 특성의 변화 스텝으로 구성된다.

또한 본 발명은 일정 직경의 도파관에서 형성된 광 도파관 그레이팅을 제공한다. 이 그레이팅의 특성은 그레이팅을 따른 위치에서 그 위치의 도파관 직경의 반대되는 위치에 따라 변화한다.

본 발명에서는 스텝-인덱스 광 섬유와 같이 광 섬유 그레이팅의 생성시 새로운 인식에 기초하고 있다. 이 파장 반향은 광 섬유 NA(Numerical Aperture)(개구수) 뿐만 아니라 광 섬유 절단에도 의존한다. 이것은 반사적인 파장에 기인하며, 이 파장 _B는 다음 수학식 1과 같다.

_B

여기서, n_eff는 도파 모드(guided mode)의 실효 광 섬유 굴절률을 의미하고, _B는 그레이팅 라인의 실제 기간을 의미한다. 이것은 광 섬유 생성시 발견된다. 광 섬유 직경에 있어서, 작은 파동이 일반적으로 발생한다.

125㎛의 근소한 광 섬유 직경에 있어서, 광 섬유를 따라 100-2000mm의 범위에서 ±1㎛의 직경 편차가 발견되었다.

스텝-인덱스 광 섬유는 코어 인덱스 n₁과 클래딩(clading) 인덱스 n₂를 갖는다. 여기서 n₁＞n₂이고, NA =이다.

실효 굴절률 n_eff는 코어을 오버래핑하는 도파모드의 비율에 의존하며은 다음 수학식2와 같다.

n₁+ (1- )n₂

주어진 광 섬유를 위한 오버랩 파라미터는 스니더 ＆ 러브(Synder ＆ Love)에서 이미 제안되었다.

0.2 NA의 전형적인 광 섬유를 위해 근소한 125㎛ 직경과 1㎛ 당 1250㎛ 직경 변화는 ∼50pm 그레이팅 파장 쉬프트의 원인이다. 직경이 그레이팅의 길이를 따라 변화하기 때문에 그레이팅 응답은 예상되는 것으로부터 크게 이탈 할 수 있다.

선형적인 첩드(chirped) 광 섬유 그레이팅에 있어서, 이 직경 파동의 효과는 시간 지연을 일으키고, 파장 특성은 선형 특성으로부터 일탈한다.

발명의 넓은 범위의 모든 관점에서, 여러 제기된 기술들이 비균일 광 섬유에서 원하는 그레이팅 구조가 가능하도록 본 발명에서 제의되었다.

첫 번째 세 개의 기술들은 기록되는 그레이팅의 주기 Λ_B를 n_eff상에서 직경변동의 충격을 감소시키도록 조절하는 것과 관계된다.

네 번째 기술은 n_eff가 광 섬유에 걸쳐 더욱 균일해지고, 이 광 섬유에 걸친 코어지역에서 n₁또는 n₂를 조절하는 자외선(UV) 전 또는 후처리 과정을 갖는 광 섬유와 관계된다.

명백히 이러한 방법들의 어떠한 조합이라도 가능하다.

이러한 방법들 모두 현재 그레이팅 구조 기술에 병합될 수 있다.

본 발명은 첨부되는 도면의 참조에 의해서만 보기의 방법들이 묘사될 것이다.

도 1은 광 섬유에 걸친 위치에 반비례하여 광 섬유 샘플의 직경을 그린 실험상의 그래프이다.

도 2에서부터 도 4는 광 섬유 샘플에 기록되는 세 개 각각의 그레이팅의 선형 분산 특성으로부터 편차를 보여주는 실험상의 그래프이다.

도 5a와 5b는 다양한 직경의 광 섬유에 적용되는 보정을 보여주는 구성도이다.

도 6a에서 6c는 광 섬유의 후처리 동작을 도시적으로 기술한 것이다.

도 7a에서 7d는 선형적으로 정규화된 첩드(chirped) 그레이팅의 기대되는 동작으로부터의 편차를 기술한 것이다.

도 1과 관련하여 광 섬유 길이의 직경은 광 섬유를 따라 위치에 반비례하여 그려진다.

상기 측정은 150nm의 정확성과 50nm의 반복성을 갖는 상업적으로 유용한 광 섬유 직경 측정 장치를 사용하여 이루어졌다.

도 1은 최고점 사이의 거리가 거의 1000nm인 광 섬유 직경의 실제적인 주기적 변화를 기술한 것이다.

그레이팅 구조(아래에서 묘사된)에 사용된 광 섬유의 길이는 도 1상에 역시 표시되었다.

선형적으로 첩드(chirped) 그레이팅의 동작에서 이러한 직경의 변화로부터 가능한 효과를 평가하기 위해서 사실은, 선형적으로 첩드(chirped) 격자들의 열이 도 1에서 보여진 하나의 광 섬유의 길이가 또 다른 광 섬유에 겹쳐져 있다.

이것은 다른 광 섬유 길이를 이용하여 임의의 효과 또는 어떤 측정 결과를 배제하였다.

두 개의 그레이팅들은 6nm의 오프셋을 갖고 첩(chirp)과 같은 방향으로 기록되었으며 도 2와 도 3에서 보여진 이러한 그레이팅들로부터 시간지연 분산 특성이 측정되었다.

도 4는 두 개의 또 다른 그레이팅들(상기 두 그레이팅들의 중간점에서와 같이) 양쪽에서 3nm 오프셋값을 갖고 첩(chirp)의 반대 방향을 갖는 세 번째 그레이팅의 일치하는 결과를 기술한 것이다.

그레이팅길이는 85cm이고, 분산은 기준 광 섬유에서 150km 전송을 보정하도록 디지인되었다.

광 섬유 결함 구조에 기인하는 선형적 시간 지연으로부터의 편차는 첩(chirp)(도2 와 도3)의 같은 방향으로 기록된 양쪽의 그레이팅들의 시간 지연 특성을 실질적으로 동일한 산란처럼 보인다.

첩(chirp) 방향과 반대인 쪽에 기록된 세 번째 그레이팅인 양성의 첩(chirp)에 대해, 시간 지연(도4)의 산란은 도 2와 도3에서 보여진 시간 지연 편차 특성과 사실상 동일하지는 않다.

직경 변동들의 방향이 분산 슬로프(slope)와 마찬가지로 변화에 있어 중요한 역할을 하는 것은 자명하다.

도 4의 축들(axes)은 도 2와 도 3과 비슷한 방식으로 분산의 모양을 보여주기 위해 반비례하고 있음을 주시해야 한다.

도 2와 도 3을 보면 그레이팅 중심 파장과는 실질적으로 독립적이고, 광 섬유직경의 물리적 측정과 관련되는 편차효과가 발견됨을 알 수 있다.

따라서, 물리적인 직경(그것 자체의 순수한 직경보다는)에서 편차를 추정하는 기술은 다음과 같다.

(a)측정되는 광 섬유에 인터레스트(interest)의 파장대 밖으로 미약한 테스트 그레이팅을 기록한다.

(b)테스트 그레이팅에 대한 시간 지연 편차 특성을 묘사한다.

테스트 그레이팅은 인덱스(index)를 초과하지 않도록 미약해야 하며, 그레이팅 측정의 힘은 특성화 이후의 최고점에 기록된 실제 그레이팅의 힘에 제한된다.

어떤 예방책들은 광 섬유 직경 변동을 미리 측정하는 과정을 이용할 수 있다.

이러한 예방책들은 시간 지연 특성상의 잡음을 감소시키는데 이러한 상태는 네트웍 분석기에서 주파수를 증가시키고, 그것에 의해서 더욱 평균화를 이루는데 부분적으로 만족시킨다.

그레이팅 기록 과정에서 광 섬유의 파장 위치 에러에 관하여 획득된 정보를 로딩(loading)시키는 과정은 전문가에게 맡기고 여기에서는 자세하게 설명하지 않을 것이다.

직경 변동의 원인은 명확하게는 알려져 있지 않다.

직경의 결함이 도시 과정에서 발생될 때, 도시되는 직경의 준선형이 증가하여 직경 변동이 일어날 수 있는 시나리오가 있을 수 있다.

직경의 이러한 증가/감소는 공진을 유발하는 임의의 도면에 의해 발생될 수 있다.

직경 제어 메카니즘은, 이러한 메카니즘은 0.15μm의 정확성을 갖는 드로잉 타워(drawing tower)에 고정된 안리트수(Anritsu) 측정 단위와 같은 높은 정확도의 간섭계 광 섬유 직경 제어기로부터 입력되는 데이터에 근거를 둔다, 광 섬유의 정확한 직경의 이후에 돌연한 변화/수정을 일으킨다.

이러한 수정 위치가 바로 피드백(feedback)의 타이밍(timing) 함수이다.

직경의 변화에 기인하는 분산 특성들의 에러들을 수정하기 위해서 직경의 절대적 변화를 알 필요는 없다.

비록 소정의 실시예에서 이러한 절대적 변화들이 물리적으로 측정되고, 심지어는 테스트 그레이팅의 기대되는 동작과의 편차에 의해 간섭받는 것과 같은 상대 변화까지 측정된다 하더라도 말이다.

어떤 파장의 에러 위치를 아는 것이 필요하다.

이러한 정보는 위치 L의 함수로써 파장을 그린 선형적으로 chirped된 그레이팅의 시간 지연 특성으로부터 획득될 수 있다.

더욱이, λ_B(L)은 파장 τ(λ_B)의 함수로써의 시간 지연이다.

그레이팅에서의 시간 지연은 다음과 같이 주어진다.

τ=2n_effL/c

c는 진공에서의 빛의 속도이다.

그레이팅에서 상대적인 위치값에 대한 시간 지연값의 재정렬과 축의 변화는 τ(λ_B)대신에 λ_B(L)의 값을 밝혀낼 것이다.

커브의 기울기는 다음과 같이 주어지는 chirp의 비율 ξ는 다음과 같이 주어진다.

ξ=Δλ/L=2n_effL/cD

Δλ은 chirp이고, D는 그레이팅의 분산이다.

λ_B(L)을 그리고, ξ의 값을 알게 됨으로써, 첩(chirp) 비율로부터의 위치 편차는 ε이기 때문에 첩드(chirped) 그레이팅에서의 임의의 파장에 대한 위치 에러의 값 ε를 결정하는 것이 가능하다.

이러한 결과를 수정하기 위해서 주어진 위치에 대한 파장 에러가 유도되고, 광 섬유 직경의 변화는 비교적 저주파이므로 그레이팅 분산 특성들에서의 개선은 아주 명백하다.

자세하게, 상기에서 기술된 광 섬유 특성화 기술과 물리적 광 섬유 직경의 측정에 의해 수집된 데이터를 이용한 소정의 기술들은 다음과 같다.

1. 원하는 그레이팅은 합성 그레이팅 직경 변동에 대한 조절없이 수신되었던 것보다 이상적인 직경 변동을 고려한 기록 그레이팅 측면도를 변경하여 만들어진다.

특히, 원하는 그레이팅은 그레이팅외 영역에서 측정된 편차 특성과 반비례관계로 조절된 피치(pitch) 변화를 이용하여 기록된다.

GB9617688.8 샘플을 보면 많은 기술들이 그레이팅 길이에 걸쳐 세밀하게 조절된 피치(pitch)를 갖는 기록 그레이팅로 알려져 있다.

2. 소정의 그레이팅들은 광 섬유에 걸쳐 순서대로 기록된다.

방금 쓰여진 부분은 그레이팅의 반사 파장을 결정하는데 효과적으로 특성화되어 기록될 수 있다.

타겟(target) 파장을 비교하는 것은 그레이팅을 따라 그 지점에서 직경 에러가 발생했음을 알려준다.

직경 변동은 10-20cm 구간에서 주기적으로 표시되는 것으로 밝혀졌기 때문에, 만약, 예를 들어 측정위치가 1cm에서 기록 위치까지 가까이에 있다면 직경 에러는 각각의 그레이팅 부분이 기록되는 것과 같이 아주 빨리 결정되고 수정될 수 있을 것이다.

3.세번째 방법은 그레이팅을 새기기에 앞서 광 섬유에서의 물리 직경 변동을 간단히 측정하는 방법을 제시하였다.

그러므로, 기록된 주기는 직경 변동의 충격을 감소시키기 위해 측정되는 직경 변동의 반비례 관계의 피치(pitch)를 조절하여 변경된다.

더 적은 해상도가 소정의 유용한 결과를 여전히 준다 할지라도, 직경은 0.1μm이상의 해상도를 갖도록 전형적으로 결정되어야 한다.

도 5a와 도 5b는 변화하는 직경의 광 섬유에 적용된 보정을 기술하는 구성도이다.

특히, 도 5a는 이상적으로 선형 첩드(chirped) 그레이팅을 따라 그레이팅 피치(pitch)의 변화를 도시적으로 기술하고, 도 5b는 상기 피치(pitch)가 상기에서 기술된 기술들의 하나를 사용하여 그레이팅의 길이를 따라 변경되는 방법을 기술한 것이다.

100인 지점에서 직경이 커질수록 피치(pitch)는 더욱 더 작아지고, 110인 지점에서는 직경이 작아질수록 피치(pitch)는 더욱 더 커진다.

4.네번째 기술은 일반적으로 원하는 그레이팅이 임의의 전형적인 균일 광 섬유 특성을 갖는다고 가정하고 기술된다.

그리고 그레이팅은 광 섬유를 따른 n_eff에서 파동을 결정할 수 있도록 특성화된다.

광 섬유의 후처리 과정은 전형적으로 코어 지역을 드러내어 자외선(UV) 영향을 달리하는 것은 그것이 반대의 경우보다 합성되는 n_eff를 더욱 균일하게 만들도록 한다.

이 네 번째 과정은 도 6a에서 도 6c까지 도시하여 설명된다.

도 6a는 직경 변동을 갖는 광 섬유 도파관상에 스캔 그레이팅 구조를 도시하여 설명된다.

자외선(UV) 빔의 후처리 과정은 그 지점에서의 평균 반사율을 변화하는 직경 변동의 지점을 가리키고, 그것에 의하여 효과적인 반사율(n_eff)를 더 균일하게 만든다.

예를 들면, 후처리 과정의 빔은 균일 빔이나 그레이팅 기록빔이 될 수 있다.

상기 내용에 포함되어 있슴.

Claims (17)

1. 알려진 물리적 피치의 광도파관에서 첩드 그레이팅을 생성하는 단계와,

   첩드 그레이팅의 예상 시간 지연으로부터 편차를 측정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 도파관의 직경변동 검출 방법
2. 제 1항에 있어서, 상기 광 도파관의 그레이팅은, 그레이팅에 따른 위치에서 도파관 직경의 실제적인 반비례 관계에서 상기 위치들에서 그레이팅 특성을 변화하는 단계를 더 포함하여 생성하는 것을 특징으로 하는 광 도파관의 직경변동 검출 방법
3. 제 2 항에 있어서, 상기 첫 번째 그레이팅과 상기 추가 그레이팅은 다른 도파관 영역들에서 오퍼레이트(operate)한 것을 특징으로 하는 광 도파관의 직경변동검출 방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 첫 번째 그레이팅은 상기 추가 그레이팅보다 약한(weaker) 것을 특징으로 하는 광 도파관의 직경변동 검출 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 도파관의 적어도 일부분은 감광성이 있고,

   상기 첫 번째 그레이팅은 상기 도파관이 기록 라이트 빔에 노출되어 생성됨을 특징으로 하는 광 도파관의 직경변동검출 방법.
6. 상기 독립 1항에 따른 제 5항에 있어서, 그레이팅에 걸치는 위치들에서의 광 섬유 직경에 관하여 상기 위치들에서 기록 라이트 빔의 노출을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 도파관의 직경변동검출 방법.
7. 상기 독립 1항에 따른 제 5항에 있어서, 그레이팅에 걸치는 위치들에서의 광 섬유 직경에 관하여 상기 위치에서 더 많은 기록 라이트 빔을 선택적으로 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 도파관의 직경변동검출 방법.
8. 물리 피치로 알려진 광 도파관에서 일부의 그레이팅부분에 대한 생성 단계와;

   가장 최근의 기입된(written) 그레이팅 부분에서의 기대되는 응답으로부터의 편차를 측정하는 단계와; 그리고

   가장 최근에 제안된 그레이팅 부분에서 측정된 편차에 의존하여 다음 그레이팅 부분에의 기입될 그레이팅 파라미터를 변경하는 단계를 반복하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일정 직경의 도파관에서 광 섬유 도파관 그레이팅의 생성 방법.
9. 그레이팅에 따른 위치에서 예측된 직경 프로파일(profile)로부터 도파관 직경의 편차의 실제적인 반비례 관계에서 상기 위치에서 그레이팅 특성을 변화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일(profile)의 도파관에서 형성된 광 그레이팅 생성 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 도파관은 명목상 일정 직경 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일의 도파관에서의 광 그레이팅 생성 방법.
11. 제 9 또는 제 10 항에 있어서, 상기 그레이팅 특성은 그레이팅 피치인 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일의 도파관에서의 광 그레이팅 생성 방법.
12. 제 1항 내지 11 항에 있어서, 상기 도파관은 광 섬유인 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일의 도파관에서의 광 그레이팅 생성 방법.
13. 그레이팅에 걸친 위치들에서 예측된 직경 프로파일(profile)로부터 도파관 직경의 편차의 실제적인 반비례 관계에서 상기 위치에서 그레이팅 특성이 다양해지는 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일(profile)의 도파관에서 광 도파관 구조.
14. 제 13항에 있어서, 상기 도파관은 실제적인 일정 직경 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일의 도파관에서 광 도파관 구조.
15. 제 14항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 그레이팅 특성은 그레이팅 피치인 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일의 도파관에서의 광 도파관 구조.
16. 제 13 항 내지 제 15 항에 있어서, 상기 도파관은 광 섬유인 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일의 도파관에서의 광 도파관 구조.
17. 제 13 항 내지 제 16 항에 있어서, 상기 그레이팅은 실제적인 선형 첩드 그레이팅인 것을 특징으로 하는 명목상 예측된 직경 프로파일의 도파관에서의 광 도파관 구조.