KR20010083044A - 미세구조의 광섬유 - Google Patents

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브자르클레브안데르스오버가아드
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Abstract

본 발명은 광자 밴드갭 (PBG: Photonic Bandgap) 효과를 응용함으로써 하나 이상의 코어 영역과 함께 웨이브가이딩이 얻어진, 새로운 부류의 광학 웨이브가이드에 관한 것이다. 본 발명은 또한 공기 또는 진공으로부터 빛의 입사를 반사시키는 완전한 PBGs를 제공할 수 있는 최적화된 2차원 격자 구조에 관한 것이다. 이러한 구조는 빛이 수렴됨으로써 할로우 코어 영역내에서 가이드되는, 광학 섬유에 있어서 클래딩 구조로서 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 제작이 용이한 초저손 PBS 웨이브가이딩 구조용 디자인에 관한 것이다. 마지막으로, 본 발명은 큰 공극 충전 분획과 함께 광자 결정 섬유의 프리폼을 쉽게 제작할 수 있게 해 줄 뿐만 아니라 클래딩 및 코어 구조의 디자인에 고도의 유연성을 부여해주는 새로운 조립 기술에 관한 것이다.

Description

미세구조의 광섬유{MICROSTRUCTURED OPTICAL FIBRES}
광섬유 및 집적 광 웨이브가이드는 오늘날 광통신, 센서기술, 분광기 및 의약분야와 같은 광범위한 분야에 널리 응용되고 있다. 이러한 웨이브가이드는 일반적으로, 총 내부반사 (total internal reflection)로 알려진 물리효과를 통해, 전자기장 (빛 또는 광자)을 가이드함으로써 작동한다. 이러한 기본적인 효과에 의해, 웨이브가이드축에 대해 수직방향에서의 광학력의 전파 (또는 손실)이 감소된다.
유전물질 (광섬유에서) 또는 반도체 (집적광학제품에서)로부터 흔히 제조되는 이러한 웨이브가이드에 있어서 총 내부반사를 얻기 위해서는, 주변 클래딩의 굴절률에 비해 중심의 굴절률이 더 높은 것을 이용하여야 한다.
오늘날, 중장거리용의 바람직한 신호전달매체는 광섬유로서, 그 결과, 총 내부반사는 수십년간 알려져왔고 기술적으로 이용되어온 물리적 특성이 되었다. 그러나 지난 10여년간, 신소재 분야의 발달은 소위 광자 밴드갭 (PBG: photonicbandgap) 효과라는, 완전히 새로운 물리학적 특성을 적용함으로써 웨이브가이드 또는 캐비티에서 전자기장을 제어하거나 또는 빛을 국소화시킬 수 있는 가능성을 열어주었다.
PBG 효과는 전자기장의 전파가 특정 주파수 간격 및 특정 방향에서 저해되도록 하는 방식으로 격자의 크기 및 응용 소재가 선택된, 공간적으로 주기적인 격자구조를 제공함으로써 얻어질 수 있다. PBG 소재는 과학문헌과 몇몇 특허 (예컨대 미국특허 제 5386215, 5335240, 5440421, 5600483, 5172267, 5559825호 참조)에서 1차원, 2차원 및 3차원적인 경우로 설명되어왔다.
이러한 주기적인 유전구조를 이용하는, 특정 부류의 요소는, 웨이브가이드 축에 대해 수직방향으로는 주기적인 변화 (periodic variation)가 나타나는 반면, 웨이브가이드 축에 대해서는 그 구조가 불변인 광섬유 (또는 웨이브가이드)이다.
최근, 특히 영국의 University of Bath의 연구자들 (예컨대 Birks외, Electronics Letters, Vol. 31 (22), p. 1941, October 1995 참조)은 실리카-백그라운드 소재 중에, 코어를 얇고 평행하며 공기로 가득찬 공극/홀에 둘러싸이게 하고, 이 공기가 가득찬 공극 (void)을 섬유의 클래딩 영역에 주기적인 구조로 배열함으로써, 광섬유 제작을 실현하였다.
비록 상기 Birks 등의 문헌은 광자 밴드갭 가이딩 섬유의 개념을 개시하고는 있으나, 그 이후로 클래딩 구조가 광자 밴드갭 효과를 나타내어야 한다는 요구사항이 광선을 가이드시킬 수 있는 이들 소위 미세구조화 섬유에 있어서 불필요하게 되었다 (예컨대 Knight외, Journal of the Optical Society of America, A., Vol.15(3), p.748, March 1998). 그 이유는 클래딩 구조의 유효 굴절률보다 굴절률이 높은 코어 영역을 갖는 미세구조 섬유가 총 내부반사에 의해 빛을 가이드시킬 수 있기 때문이다. 이에 따라, 고굴절률 코어 미세구조 섬유를 작동하는데 있어서 공기 공극을 주기적으로 배치하는 것이 더 이상 필요치 않게 되었다 (예컨대 미국특허 5,802,236 참조).
이제까지 입증된 모든 고굴절률 코어 미세구조 섬유가 광자 밴드갭 효과에 기초해서 작동하지는 않는다는 것을 인식하여야만 한다. 그러나, 단순히 클래딩의 굴절률보다 코어 영역의 굴절률이 높기 때문에 (코어 굴절률과 클래딩 굴절률의 정의에 대해서는 미국특허 5,802,236 참조) 모든 고굴절률 코어 섬유는 총 내부반사 (굴절률 가이딩이라고도 알려져 있는)로 인해 가이드되는 기초적인 모드를 갖는다.
고굴절률 코어 섬유와 대조적으로, 저굴절률 코어 섬유 (즉, 클래딩보다 코어의 굴절률이 낮은 섬유)는 총 내부반사를 통해 코어 영역에서 빛의 누출없이 빛을 가이드하지 못한다. 그러나, 주기적인 클래딩 구조를 정확히 고안함으로써, 이러한 클래딩 구조는 상술한 Birks 등의 참조문헌에 설명된 바와 같이 광자 밴드갭 효과를 나타낼 수 있다.
클래딩 구조를 정밀하게 디자인하는데는 공극을 크기, 차원, 및 형태와 관련해서 주기적으로 최적하게 배치하는 것이 필요하다. 광자 밴드갭 효과를 나타내는 클래딩 구조는 특정 파장과 입사각을 갖는 빛을 반사시킬 수 있다. 이것은 클래딩 구조가 클래딩 구조에 의해 둘러싸인 공간 영역으로 광선을 수렴시킬 수 있음을 의미하며, 이에 의해 광자 밴드갭 내로 광선이 떨어지도록 하는 조건이 만족된다. 이것은 심지어 클래딩 구조보다 공간 영역의 굴절이 효과적으로 더 낮은 경우에도 그렇다. 이것이 PBG 가이딩 광합 섬유와 기타 PBG 웨이브가이드의 작동원리이다 (예컨대 Barkou외, Optics Letters, Vol. 24(10, p.46 January 1999 참조)
웨이브가이던스를 물리적 메카니즘이 완전히 상이함으로서 해서, 미세구조 섬유는 (적어도) 2개의 그룹으로 나뉜다. 즉, 앞으로 PBG 섬유라 칭해지는 (밴드갭 섬유 또는 저굴절률 코어 섬유라고도 칭함), 광자 밴드갭 효과에 의해 작동하는 것들과, 이하에서 고굴절률 코어 섬유 또는 굴절률-가이딩 섬유라고 칭해지는, 총 내부반사에 의해 작동되는 것들로 나뉜다.
그 중에서도 광자 밴드갭 효과에 의한 웨이브가이던스는 광섬유와 기타 유형의 웨이브가이드를 전적으로 새롭게 디자인할 수 있게 하기 때문에 미래에 특히 중요하다. 특히 광섬유의 경우, 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높을 필요가 없다. 이러한 저굴절률 코어 광섬유 (예컨대 할로우 코어 섬유)는 센서 시스템과 같은 수많은 응용분야 또는 원거리통신 시스템에서 초저손 통신 섬유로서 이용될 수 있다.
최근 최초의 광자 밴드갭 가이딩 광섬유가 실현되었다 (Knight외, Science, Vol. 282 95393), p. 1476 November 1998). 이러한 섬유 디자인은 클래딩 내부의 실리카 배경 재료중의 공기 공극의 벌집형 배치와, 코어를 형성하는 단일의 주기적-브레이킹 저굴절률 영역에 기초한 것이었다. 예컨대 삼각형 구조를 이용하는 것보다 벌집-형 클래딩 구조를 이용할 경우의 장점은 클래딩 구조가 보다 작은 (따라서 보다 실질적인) 공기공극 크기에 대해서 광자 밴드갭 효과를 나타낸다는점이다.
Birks 등의 PBG 구조는 PBG 효과를 이용하는 가이딩 전자삼각형 클래딩 구조로 인해 PBG 효과를 이용하여 전자기적 광선 조사를 최적화시키지 못한다.
또 다른 단점은 최근 입증된 벌집형 PBG 섬유내에서는 빛이 거의 전적으로 실리카 내에 분포한다는 점이다.
또 다른 단점은 최근 실현된 벌집형 PBG 섬유에서는 클래딩 구조가 할로우 코어 내부에서 광선을 가이딩시키는데 최적화되지 않는다는 것이ㄷ.
또 다른 단점은 최근 입증된 PBG 섬유 중의 클래딩 구조 내에서의 공기 공극의 벌짐 배치가 큰 크기의 공급 충전 분획을 얻는데 최적화되지 못한다는 것이다.
현재 주기적인 유전 클래딩 영역과 함께 광학 섬유를 실현시키는데 있어서의 문제점 또는 단점은, 육각형 막대 또는 육각형 유리튜브 (중앙에 공극을 갖는)를 조밀하게 적층시키거나 또는 원형 막대 또는 얇은 원형 튜브를 직접 즉층시킬 것이 요구된다는 것이다. 이러한 튜브와 막대는 프리폼 (preform) 형태로 조밀하게 쌓인 삼각 구조로 배치되며 그 이후에 프리폼이 광학 섬유내로 이끌어지게 된다. 국제적인 문헌에 보고된 이러한 섬유가 비록 매우 흥미롭고 새로운 광학 특성을 나타내기는 하나, 한가지 단점은 튜브와 막대의 조밀한 적층이 큰 공극 충전 분획을 갖는 섬유를 실현하는데는 적절치 못하다는 것이다.
당업자에게 알려진 바와 같이 광선이 실제로 할로우 코어 내부로 가이드되게 되는 PBG 섬유를 얻기 위해서는 커다른 공극 충전 분획이 요구된다.
따라서, 현재의 조밀한 구조의 육각형 유리 튜브 (중앙에 공극을 갖는) 적층또는 얇은 원형 튜브의 직접 적층이 갖는 부가적인 단점은 큰 공극 충전 분획을 갖는 광섬유를 조립하는데는 적합치 않다는 것이다.
미국특허 5,802,236호는 코어 영역과 클래딩 영역을 갖는 미세-조립된 광섬유를 개시하고 있는데, 이 특허의 클래딩 영역은 섬유 방향으로 확장된, 공간적으로 격리된 클래딩을 다수개 포함한다. 클래딩 영역의 유효 굴절률은 코어 영역의 유효 굴절률보다 작다. 또한, 클래딩의 연장 특성은 비-주기적인 구조로 배치된다.
미국특허 5,802,236호에 기재된 미세-조립된 광섬유의 한가지 단점은 고굴절률 코어 영역으로 인해, 웨이브가이딩 특성이 코어 영역내에 가이드된 전자기 광선 조사의 전통적인 총 내부반사에 기초한다는 것이다.
미국특허 5,802,236호에 기재된 미세-조립된 광섬유의 또 다른 단점은 비-주기적 클래딩 구조가 광자 밴드갭 효과를 나타낼 수 없으리라는 것이다. 따라서, 미국특허 5,802,236호에 기재된 비-주기적 섬유는 전통적인 총 내부 반사에 의해사만 광선을 가이드할 수 있을 뿐이다.
모든 고굴절률 코어 섬유의 또 다른 단점은, 이들 섬유가 총 내부 반사에 의해 가이드되는 기초적인 모드를 항상 뒷받침할 것이라는 점이다. 이는 광학 필드를 저굴절률 영역 (예컨대 진공, 액체- 또는 기체 충전된 채널에서) 내에서 단일의 잘 알려진 모드-분포로 국소화시키는데 있어서 특히 중요할, 원거리 통신분야에서 광학 센서 및 저손실 전달 링크와 같은 분야에서의 응용시, 현재 알려진 고굴절률 섬유를 직접 이용할 수 없다는 결과를 필연적으로 낳는다.
WO99/00685는 바람직하게는 삼각형의 주기적 구조를 갖는 클래딩으로 이루어진 큰 코어 광자 결정 섬유 (PCF: photonic crystal fibrre)를 개시하고 있다. 코어 영역은 직경이 5μm 이상인 고굴절률 영역이거나 저굴절률 영역일 것이다. 바람직한 구체예에서 이 섬유는 총 내부반사에 의해 가이딩되고, 순수한, 도핑되지 않은 실리카로 만들어진 고형 코어 영역을 가지며 직경은 50μm나 되는 큰 것일 것이다. 이러한 직경을 갖게되면, 섬유가 충분히 작은 공기 공극에 대해 단일-모드 작동을 유지하면서 높은 전력을 전달할 수 있는 있다 (예컨대 Knight외, Electronics Letters, Vol. 34(13), p.1347, June 1998 참조). 단일-모드 작동의 이유는 작은 공기 공극을 갖는 실리카 소재에 의해 둘러쌓인 큰 고형 실리카 코어를 갖는 바람직한 구체예에서 섬유가, 유효 코어 굴절률 (실리카와 동일한)과 유효 클래딩 굴절률 사이에 매우 적은 콘트래스트를 갖기 때문이다. 따라서, 이 섬유 배열의 경우 높은 오더의 모드를 피할 수 있다. 여기에서도, 고굴절률 코어를 갖는 큰 코어 섬유가 전통적인 총 내부반사에 의해 작동되고, 그에 따라 광선을 할로우 코어 내로 수렴시킬 수 없다는 것을 인지하는 것이 중요하다.
섬유의 저굴절률 코어 영역 내에서 가시광선 또는 근적외선 전자기광선 조사를 효과적으로 수렴시키도록, 충분한 PBG 효과를 제공하도록 최적화되지 못한다는 것이 WO99/00685에 기재된 삼각 클래딩 구조의 단점이다.
WO99/00685에 기재된 삼각 클래딩 구조의 또 다른 단점은 큰 실리카 중심을 갖는 섬유에 대해 단일-모드 작동을 얻기 위해서는, 단지 아주 작은 공기 공극만이 클래딩에 허용된다는 점이다. 따라서, 섬유는 코어 굴절률과 유효 클래딩 굴절률 사이의 콘트라스트가 매우 낮게 될 것이고, 이는 가이드된 모드(들)이 코어 영역으로 강력하게 수렴되지 못할 것이라는 부정적인 결과를 초래한다. 다라서, 섬유는 마이크로 및 마크로-벤드 모두에 대해 극히 민감하게 될 것이고, 예컨대 원거리통신을 위한 섬유의 정상적인 작동하에서 손실을 경험하게 될 것이다. Wo99/00685호에 기재된 섬유는 따라서, 실제 상황에서 높은 광학 전력을 누설없이 전달하는데 적합치 못하다.
본 발명의 한가지 목적은 PBG 효과를 응용함으로써 하나 이상의 코어 영역과 함께 웨이브가이딩이 얻어진, 새로운 부류의 광학 웨이브가이드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기 또는 진공으로부터 빛의 입사를 반사시키는 완전한 PBGs를 제공할 수 있는 최적화된 2차원 격자 구조에 관한 것이다. 이러한 구조는 빛이 수렴됨으로써 할로우 코어 영역 내에서 가이드되는, 광학 섬유에 있어서 클래딩 구조로서 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 초저손 (ultra low-loss) PBG 웨이브가이드 구조를 위한 디자인을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제작하기 쉬운 PBG 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 큰 공극 충전 분획을 갖는 광자 결정 섬유를 쉽게 제작할 수 있게 해줄 뿐만 아니라, 클래딩 구조와 코어 구조의 디자인에 고도의 유연성을 부여해주는, 새로운 조립 기술을 제공하는 것이다.
발명의 요약
광학 섬유 (다른 유형의 웨이브가이드 및 요소들 뿐 아니라)에 PBG 효과를이용하기 위해서는 소위 에어 라인 아래로 연장된 밴드갭 뿐만 아니라 넓은 밴드갭을 나타내는 클래딩 구조를 실현시키는 것이 필수적이다. 밴드갭이 에어 라인 아래로 연장된다는 것은 클래딩 구조가 공기 (또는 진공)로부터 입사된 광선을 반사시킬 수 있다는 의미이다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 이러한 목적을 달성하가 위한 두가지 중요한 인자는 커다른 공극 충전 분획을 갖는 구조의 실현과, 구조 자체의 적절한 기하학적 디자인이다. 본 발명자들은 현재의 기술로 가능한 것보다 더 큰 공극 충전 분획을 갖는 섬유를 제작할 수 있게 할 뿐만 아니라, 최종 섬유의 형태를 디자인하는데 있어서 그 유연성이 크게 높아진, 새로운 조립 기술을 실현하게 되었다. 또한 본 발명자들은 주어진 재료 내에서 클래딩 구조가 2차원적인 주기적 저-굴절률 영역으로 형성된 광학 섬유의 광자 밴드갭의 크기를 변경시킬 수 있는 방법을 알아내었다. 이러한 구조 내에서 주기적 구조를 형성하는 저굴절률 영역에 의해 분리된, 고굴절률 영역의 수가 정해지면, 광학 밴드갭의 성능이 증가될 것이고, 이들 고굴절률 영역 간에 분리가 있으면, 이들 각각의 굴절률 또는 두가지 모두의 굴절률이 증가된다. 고굴절률 영역은 저굴절률 영역 사이에서 "브리징" 영역을 통해 연결되며, 이들의 분리는 몇개의 영역에서 얻어질 수 있다.
국제적 문헌 (Broeng외, Optics Communications, Vo. 156 (4-6), p.240, November 1998)을 통해, 광자 결정 섬유의 삼각 클래딩 구조 내로 빈틈의 공극이 도입되면, 광자 밴드갭의 크기가 감소되리라는 것이 알려져 있다. 이러한 이유로, 삼각 클래딩 구조가 사용될 경우 틈새 공극을 제거하는 경향이 있는, 섬유 디자인을 만드는 것이 가장 합리적일 것으로 여겨진다.
그러나, 본 발명자들은 틈새 공극이 놓여진 위치가 중요하다는 것과, 본래의 위치 (종래기술의 조립 기술의 경과로 보여지는 위치)와 다른 곳에 위치할 경우 실로 유리할 것이라는 것을 깨달았다. 후술되는 바와 같이, 가장 중요한 것은 틈색 공극을, 이들이 주기적인 클래딩 구조의 고굴절률 영역을 추가로 분리하는 방식으로 위치시키는 것이다. 본 발명은 틈색 공극의 위치를 정하는 바람직한 구체예들 뿐만 아니라, 가능한 틈색 공극이 소망되는 위치에 위치된, 미세구조 섬유의 제작을 위한 새로운 조립 기술을 포함한다.
다음에서, 주기적인 구조 (periodic structure)라 함은 이러한 구조 분석을 단순화시키는 방식으로 가장 널리 사용되는 바와 같이, 프리미티브 (primitive) 단위 셀에 의해 정의된다. 단위 셀의 크기는 여러가지가 있을 수 있지만, 가능한 최소면적 (또는 3D 주기 구조의 부피)을 갖는 단위 셀로서 정의되는 프리미티브 단위 셀의 오직 한가지 크기만이 구조를 생산할 수 있다. 따라서, 주어진 주기 구조는 프리미티브 단위 셀을 복수개 가질 것이다.
다음에서, 구조는 프리미티브 단위 셀과 동일할, 단위 셀에 의해 정의된다.
본 발명에서 "실제로 라인을 따라 위치된"이라는 표현은, 요소들을 2개의 인접한 일차 요소 (primary elements) 사이의 연결 라인상에 직접 중심을 갖게 위치시키는 것이 바람직하다는 것을 의미하나, 그 생산 방식은 종종 변경될 것임을 가리킨다. 종래기술에서, 원형 공기 공극 (저굴절률 영역)의 위치는이 실제적인 위치의 기호인 2개의 인접한 일차 요소 사이의 중심-대-중심 거리의 10% 이내로 조절된다.
본 발명에서도, 일차 요소의 굴절율은 인접한 어떠한 재료의 굴절률보다도 낮아야 하는데, 이는 이러한 굴절률의 실제적인 변화가 주기적 구조를 제공하는 한가지 임을 의미하는 것이다. 이 단계는 일차 요소 외주 주변의 직접적인 영역 밖에서의 굴절률의 변화에 의존하지 않는다. 따라서, 이 단계는 모든 일차 요소에서 상이할 수 있으나, 대개는 일차 요소에 인접한 재료는 구조 전체를 통해 동일하며, 따라서, 일차 요소의 재료와 동일하므로, 이 단계는 일차 요소의 모둔 외주변에서 동일할 것이다.
첫번째 측면에서, 본 발명은 세로 방향으로 웨이브가이드 구조를 갖는 광학 섬유에 관한 것으로, 상기 광학 섬유는 다음을 포함한다:
- 세로 방향을 따라 확장된 코어 영역,
- 각각 세로 방향으로 확장된 중심 축을 갖는 연장된 요소들을 포함하는, 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조를 갖는, 세로 방향으로 확장된 클래딩 영역 (여기서 상기 연장된 요소는 연장된 요소에 인접한 여하한 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다),
주기적 구조는 세로 방향에 수직인 단면에서 적어도 하나의 단위 셀에 의해 정의되며, 여기서 각각의 단위 셀에 있어서:
- 2개의 이웃한 연장된 요소의 중심 축 사이의 거리는 2μm를 초과하지 않고,
- 주어진 단위 셀 내에 포함된 모든 요소들의 모든 면적의 합은 단위 셀 면적의 0.15배를 초과한다.
광학 섬유가 작동될 파장에 따라, 2개의 이웃한 연장된 요소들의 중심축간의 거리는 심지어 1.9 μm 미만, 예컨대 1.8μm 미만, 예컨대 1.6μm 미만, 예컨대 1.4μm 미만, 예컨대 1.2μm 미만, 예컨대 1.0μm 미만, 예컨대 0.8μm 미만, 예컨대 0.6μm 미만이 될 수 있다.
주어진 단위 셀에서, 단위 셀 내의 모든 요소들의 모든 면적의 합은 그 단위 셀의 면적의 일정 배수보다 큰 것이 바람직하며, 상기 상수는 0.2 초과, 예컨대 0.25 초과, 예컨대 0.3 초과, 예컨대 0.4 초과, 예컨대 0.5 초과, 예컨대 0.6 초과, 예컨대 0.7 초과, 예컨대 0.8을 초과한다.
각각의 단위 셀에서 첫번째 서클은 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 가질 수 있으며 연장된 요소의 어떠한 부분도 포함하지 않는 가능한 최대의 서클 영역으로 정의되며, 여기서 상기 연장된 요소들의 중심, 그의 일부는 그 직경이 첫번째 서클의 중심으로부터 첫번째 서클의 반경의 1.5배 이하, 예컨대 1.2배 이하, 예컨대 1.1배 이하의 거리에 있고, 3개 이상의 변을 갖는 다각형의 정점들을 정의한다. 다각형은 정삼각형, 직사각형, 정방형 또는 육각형 다각형일 수 있다.
본 발명에 따른 광섬유는 또한 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심 축을 갖는 연장된 요소들을 추가로 포함할 수 있다.
이들 추가의 연장된 요소들은 2차의 연장된 요소들에 인접한 여하한 물질의 굴절률보다 그 굴절률이 높으며, 각각은 단위 셀의 외부에 위치하지 않는 중심을 갖고, 각각의 면적은 단위 셀의 면적을 초과하지 않는다.
추가의 연장된 요소들의 일부는, 단면에서, 삼각형 구조, 벌집모양 구조 또는 카고메 (Kagome) 구조를 갖는다.
본 발명에서, 벌집 구조라 함은 육각 다각형을 가리키는 것으로서, 즉, 각각의 모든 변이 다른 육각 다각형의 변과 공유된 상태의 구조를 가리킨다. 카고메 구조라 함은 육각 다각형과 이 육각 다각형의 그것에 해당하는 측변을 갖는 정삼각형에 의해 정의되며, 여기서 육각 다각형은 그의 각변이 삼각형과 공유상태로 존재한다.
추가의 연장된 요소들은 단면에서, 적어도 부분적으로는 첫번째 서클을 갖는다. 바람직하게는, 추가의 연장된 요소들의 적어도 일부의 중심은 실질적으로 첫번째 서클의 중심과 부합한다.
두번째 측면에서, 본 발명은 세로 방향의 웨이브가이드를 갖는 광섬유에 관한 것으로, 상기 광섬유는 다음을 포함한다:
- 세로 방향으로 확장된 코어 영역,
- 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조를 갖고 다음을 포함하는, 세로 방향으로 확장된 클래딩 영역:
- 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심 축을 갖는 일차, 연장된 요소, 이 일차 요소의 굴절률은 일차 요소에 인접한 다른 물질의 굴절률보다 낮음,
- 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심 축을 갖는 이차, 연장된 요소, 이 이차 요소의 굴절률은 이차 요소에 인접한 다른 물질의 굴절률보다 낮음,
이 때 일차 요소의 어떠한 부분이던지 이차 요소의 어떠한 부분보다 크며,
주기적인 구조는 세로 방향에 수직인 단면에서 하나 이상의 단위 셀에 의해 정의되고, 이 때, 각각의 단위 셀에 있어서:
- 주어진 단위 셀 내에 포함된 2차 요소의 면적의 합은 단위 셀의 면적의 0.09배를 초과한다.
어떠한 일차 요소의 면적도 어떠한 이차 요소의 면적의 상수배 이상 크며, 상기 상수는 1.1보다 크고, 예컨대 1.2보다 크며, 예컨대 1.3 보다 크고, 예컨대 1.4 보다 크며, 예컨대 1.5보다 크고, 예컨대 2보다 크고, 예컨대 5보다 크며, 예컨대 10보다 크고, 예컨대 15보다 크고, 예컨대 20보다 크며, 예컨대 50보다 크다.
큰 공기 충전 팩터를 제공하기 위해, 단위 셀 내의 이차 요소의 모든 면적의 합은 0.1을 초과, 예컨대 0.15을 초과, 예컨대 0.2를 초과, 예컨대 0.25를 초과, 예컨대 0.3을 초과, 예컨대 0.4를 초과, 예컨대 0.5를 초과, 예컨대 0.6을 초과한다.
각각의 단위 셀에 있어서 첫번째 서클은 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 갖고 일차, 연장된 요소의 어떠한 부분도 포함하지 않는 가능한 최대 원형 영역으로서 정의되는데, 여기서 일차, 연장된 요소들의 중심, 그의 일부들은 그 직경이 첫번째 서클의 중심으로부터 첫번째 서클의 반경의 1.5배 이하, 예컨대 1.2배 이하, 예컨대 1.1배 이하의 거리에 있고, 3개 이상의 변을 갖는 첫번째 다각형의 정점을 정의한다.
첫번째 다각형은 정삼각형 다각형이다. 일차, 연장된 요소의 적어도 일부는, 그 단면이 삼각형 구조이다.
바람직하게는, 이차, 연장된 요소의 어떠한 중심도 그 단면에서 첫번째 서클의 중심과 일치하지 않는 것이 좋다. 이차, 연장된 요소의 적어도 일부분의 중심은 그 단면에서, 두개의 인접한 일차, 연장된 요소들의 중심을 연결하는 선을 따라 실제로 위치한다.
본 발명에 따른 광섬유는 추가로 추가의 연장된 요소들을 포함하는데 이들 연장된 요소들 각각은 웨이브가이드의 세로 방향을 따라 확장된 중심을 가지며, 추가의 연장된 요소들의 굴절률은 추가의 연장된 요소들에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 높으며, 각각은 단위 셀 외부에 위치하는 중심을 갖고, 각각의 면적은 단위 셀의 면적을 초과하지 않는다.
추가의 연장된 요소들의 적어도 일부는, 그 단면에서 삼각 구조, 벌집 구조 또는 카고메 구조를 갖는다. 벌집 구조와 카고메 구조는 위에서 정의한 바 있다.
추가의 연장된 요소들은 적어도 부분적으로는 첫번째 서클 내에 있다. 바람직하게는, 추가의 연장된 요소들의 적어도 일부의 중심이 실제로 첫번째 서클의 중심과 일치하는 것이 좋다.
주어진 단위 셀에 있어서, 단위 셀 내의 일차 요소들의 모든 면적의 합은 단위 셀 면적의 상수배보다 크며, 상기 상수는 0.1을 초과, 예컨대, 0.15를 초과, 예컨대 0.2를 초과, 예컨대 0.25를 초과, 예컨대 0.3을 초과, 예컨대 0.4를 초과, 예컨대 0.5를 초과, 예컨대 0.6을 초과, 예컨대 0.7을 초과, 예컨대 0.8을 초과한다.
본 발명은 세번째 측면에서 세로 방향으로 웨이브가이드를 갖는 광섬유에 관한 것으로 상기 광섬유는 다음을 포함한다:
- 세로 방향으로 확장된 코어 영역,
- 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조를 갖고 다음을 포함하는, 세로 방향으로 확장된 클래딩 영역:
- 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 일차, 연장된 요소, 이 일차 요소의 굴절률은 일차 요소에 인접한 다른 물질의 굴절률보다 낮음,
- 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심 축을 갖는 이차, 연장된 요소, 이 이차 요소의 굴절률은 이차 요소에 인접한 다른 물질의 굴절률보다 낮음,
이 때 일차 요소의 어떠한 부분이던지 이차 요소의 어떠한 부분보다 크며, 이 때, 세로 방향에 수직인 단면에서
- 일차, 연장된 요소가 삼각 구조를 정의하고,
이 때, 주기적 구조는 그의 단면에서 적어도 하나의 단위 셀에 의해 결정되며, 여기서, 각각의 단위 셀에 있어서:
- 첫번째 서클은 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 가질 수 있고 일차, 연장된 요소의 어느 부분도 포함하지 않으며,
- 이차, 연장된 요소들의 중심들은 그의 단면에서 첫번째 서클의 중심과 일치하지 않는다.
여하한 일차 요소의 여하한 부분도 여하한 이차 요소의 여하한 부분보다 상수배 크며, 상기 상수는 1.1을 초과, 예컨대 1.2를 초과, 예컨대 1.3을 초과, 예컨대 1.4를 초과, 예컨대 1.5를 초과, 예컨대 2를 초과, 예컨대 5를 초과, 예컨대 10을 초과, 예컨대 20을 초과, 예컨대 50을 초과, 예컨애 100을 초과, 예컨대 200을 초과, 예컨대 500을 초과한다.
각각의 단위 셀에서 단위 셀 내의 이차 요소의 모든 면적의 합은 단위 셀 면적의 0.005배보다 크며, 예컨대 단위 셀 면적의 0.01배를 초과, 예컨대 0.05배를 초과, 예컨대 0.1배를 초과, 예컨대 0.15배를 초과, 예컨대 0.2배를 초과, 예컨대 0.25배를 초과, 예컨대 0.3배를 초과, 예컨대 0.4배를 초과, 예컨대 0.5배를 초과한다.
이차, 연장된 요소의 적어도 일부는 그 단면이 삼각 구조, 벌집 구조 또는 카고메 구조이다. 이차, 연장된 요소의 적어도 일부는 그의 단면에서, 실질적으로 그 중심이 두개의 인접한 일차, 이차 요소들의 중심에 연결된 라인을 따라 위치한다.
세번째 측면에서 섬유는 또한 추가로 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심 축을 각각 갖는 추가의 연장된 요소들을 포함하며, 이들 추가의 연장된 요소들의 굴절률은 상기 추가의 연장된 요소들에 인접한 여하한 물질의 굴절률보다 높은 것으로, 각각은 단위 셀 위부에 위치하지 않는 중심을 갖고, 각각의 면적은 단위 셀 면적을 초과하지 않는다.
추가의 연장된 요소의 적어도 일부는 그 단면에서 삼각 구조, 벌집 구조 또는 카고메 구조를 갖는다.
추가의 연장된 요소들은 그의 단면에 적어도 부분적으로 첫번째 서클 내에 포함된다. 바람직하게는, 추가의 연장된 요소들의 적어도 일부의 중심이 그의 단면에서, 실제로 첫번째 서클의 중심과 일치하는 것이 좋다.
주어진 단위 셀에서, 단위 셀 내의 일차 요소들의 모든 면적의 합은 그 단위 셀의 면적의 상수배보다 크며, 상기 상수는 0.1을 초과, 예컨대0. 15 초과, 예컨대 0.2 초과, 예컨대 0.25 초과, 예컨대 0.3 초과, 예컨대 0.4 초과, 예컨대 0.5 초과, 예컨대 0.6 초과, 예컨대 0.7 초과, 예컨대 0.8을 초과한다.
본 발명의 세번째 측면에 따라서 연장된 요소에 인접하는 재료들의 굴절률은 1.0을 초과, 예컨대 1.2를 초과, 예컨대 1.3 초과, 예컨대 1.4 초과, 예컨대 1.45 초과, 예컨대 1.5 초과, 예컨대 1.75 초과, 예컨대 2.0 초과, 예컨대 2.5 초과, 예컨대 3.0 초과, 예컨대 3.5 초과, 예컨대 4.0을 초과한다.
연장된 요소들에 인접한 재료들은 실리카를 기제로한 물질일 수 있다. 이에 대체하여, 또는 부가적으로, 연장된 요소들에 인접한 물질은 폴리머를 기재로 한 물질을 포함할 수 있다.
연장된 요소에 인접한 물질의 굴절률보다 그 굴절률이 낮은 연장된 요소들의 굴절률은 1이다. 바람직하게는, 연장된 요소에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 굴절률이 낮은 이들 연장된 요소들은 진공, 액체 또는 가스를 포함하는 것이 좋다.
연장된 요소에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 굴절률이 높은 연장된 요소들의 굴절률은 1.3을 초과, 예컨대 1.4를 초과, 예컨대 1.45를 초과, 예컨대 1.5를초과, 예컨대 1.75를 초과, 예컨대 2.0을 초과, 예컨대 2.5를 초과, 예컨대 3.0을 초과, 예컨대 3.5를 초과, 예컨대 4.0을 초과한다.
연장된 요소에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 이들 연장된 요소들은 도핑된 실리카로 이루어져 있다.
본 발명은 특정의 클래딩 구조에 관한 것으로 코어 영역에 대해서는 어떠한 제한도 가해지지 않는다.
실제로, 본 발명은 한가지 이상의 코어 또는 여하한 유형의 코더 영역과 결합된 여하한 유형의 광섬유에 이용되기 위한 이러한 특정의 클래딩 영역에 관한 것으로 이해되어야 한다.
일반적으로, 주기적인 유전 구조와의 관계에 있어서, 코어는 구조의 주기성이 파괴된 부분으로 취급된다. 광자 밴드갭 구조는 광투과가 불가능하도록 고안된 것으로서, 그 결과, 주기성의 변경은 광투과를 가능하게 할 것이지만, 이는 오직 코어와 그의 인접 영역에서만 그러한 것이다.
코어를 정의하는 여러가지 상이한 방식이 존재한다. 한가지 방식은 주기적 구조의 하나 이상의 요소들을 굴절률, 단면적 또는 모양을 달리하는 다른 요소들로 대체시키는 것이다. 또 다른 방식은 하나 이상의 요소가 존재하지 않는 주기적 구조를 코어가 갖지 않는 것이다. 또 다른 방식은 코어 역시 완전히 주기적인 구조를 가지나 이 구조는 클래딩의 주기적 구조와는 상이한 경우이다.
바람직하게는, 코어 영역이 섬유의 세로 방향으로 확장된 제 1의 부가적인 연장 요소를 포함하는 것이 좋다.
코어 영역은 적어도 실질적으로 이차원적인 주기적 구조의 대칭성을 깨는 모든 요소들을 포함하는 최소의 직사각형 영역으로서 정의될 수 있으며, 여기서 상기 최소의 직사각형 영역은 제 1 주축과 제 2 주축을 정의하고, 제 1 및 제 2 주축은 각각 제 1의 길이와 제 2의 길이를 가지며, 제 1의 길이는 제 2의 길이와 동일하다.
다른 한편 코어 영역은 적어도 실질적으로 이차원적인 주기적 구조의 대칭성을 깨는 모든 요소들을 포함하는 최소의 직사각형 영역으로서 정의될 수 있으며, 여기서 상기 최소의 직사각형 영역은 제 1 주축과 제 2 주축을 정의하고, 제 1 및 제 2 주축은 각각 제 1의 길이와 제 2의 길이를 가지며, 제 1의 길이는 제 2의 길이보다 상수배만큼 크며, 상기 상수는 1.1보다 큰, 예컨대 1.2보다 큰, 예컨대 1.5보다 큰, 예컨대 2보다 큰, 예컨대 5보다 큰, 예컨대 10보다 큰, 예컨대 20보다 큰, 예컨대 30보다 큰, 예컨대 40보다 큰, 예컨대 50보다 큰 수이다.
특히 바람직한 첫번째 부가적인 요소는 공기, 액체 또는 가스로 구성되며 섬유 물질내의 공극으로서 정의되는데, 이러한 공극의 단면적은 단위 셀의 단면적의 적어도 절반, 예컨대 단위 셀의 단면적의 적어도 한배, 예컨대 적어도 2배, 예컨대 적어도 3배, 예컨대 적어도 4배, 예컨대 적어도 5배, 예컨대 적어도 6배, 예컨대 적어도 7배, 예컨대 적어도 18배, 예컨대 적어도 36배, 예컨대 적어도 72배이다.
이러한 상황에서, 빛은 할로우 코어 (예컨대 진공을 함유하는)에서 거의 전체적으로 전파할 수 있을 것이며, 이는, 전파 손실의 감소, 분산 특성의 향상 및 비-선형성의 감소등과 같은 장점을 원거리통신 사업분야에서 사용되는 섬유에 부여할 뿐만 아니라, 예컨대 가스나 액체가 할로우 코어 내에 제공될 수 있음으로 해서 빛과 가스 또는 액체 사이에 최적의 오버랩을 얻게 해주는 등, 센서 분야에 사용되는 섬유에도 장점을 부여한다.
여러가지 상이한 응용예에서, 부가적인 요소 또는 이들에 인접한 여하한 물질들은 더 높은 차수 (higher order)의 광학 효과를 나타내는 소재나 도펀트를 포함하는 것이 바람직하다.
통신 목적에 있어서, 고차수의 효과는 예컨대 솔리톤 통신과 같은 분야에 이용될 수 있다.
섬유 레이저 또는 섬유 증폭기 응용에 있어서, 도펀트는 예컨대 펌프 래디에이션을 수신해서 코어 영역에서 래디에이션 트래블링을 증폭시키도록 채택된 희토류 도펀트일 수 있다.
다른 예로, 도펀트는 게르마늄 (예컨대 이테르븀과 같은 다른 물질이 로딩된)과 같은 감광성 도펀트일 수 있다. 이 상황에서, 도펀트는 섬유 또는 코어 영역에서 굴절률 격자를 광학적으로 쓰는데 이용될 수 있다.
센서 응용분야의 경우, 도펀트는 가스 또는 액체의 특성에 응답하는 물질일 수 있으며, 이러한 응답은 코어 영역을 지나는 빛에 의해 광학적으로 검출될 수 있다.
몇몇 응용에 있어서, 코어 대역은 제 1의 부가적인 연장 요소를 포함하는 것이 바람직한데, 제 1 및 제 2의 부가적인 요소들은 하나의 부가적 요소 내를 통과하는 빛이 다른 부가적인 요소에 연결될 수 있는 거리로 위치한다.
한가지 응용에서, 하나의 연장된 요소는 빛이 그 사이를 지나가기에 너무 탁한 것일 수 있는 액체 또는 가스를 함유하는 공극일 수 있다. 이 상황에서는, 빛이 다른 요소를 통과하는 한편 요소들 간의 제한된 거리로 인해 액체 또는 가스와도 커플링된다.
이러한 상황하에서는, 액체나 가스가 하나의 부가적인 요소만 또는 두개 모두의 부가적인 요소를 지나도록 선택할 수도 있고 - 또는 모든 연장된 공극 내를, 예컨대 클래딩 구조의 공극들 모두를 지나도록 선택할 수도 있다.
또한, 빛이 커플링될 수 있는 2개의 요소들을 제공함으로써, 예컨대 광섬유 커플러와 같은 몇개의 광학 장치를 제공할 수도 있다. 코어 요소들 또는 코어 영역들 간의 광학적 커플링은 하나 이상의 소정의 파장에서 소정의 커플링이 일어나도록 고안할 수 있으며 이는, 나아가 수개의 광학 요소들을 가능하게 해준다.
또 다른 가능성은 초박형 금속 실린더와 같은 섬유 구조에 있어서 연장된 전기 전도체를 포함하는 것이다. 이에 따라, 광학적 소재의 폴링(poling)과 같은 성능이 실현될 수 있다. 이것은 예컨대 실리카 또는 폴리머 구조에서와 같은 광범위한 물질에도 해당될 수 있다. 이러한 종류의 부가적인 요소들은 실제로 스위칭 요소들과 같이 능동적으로 조절되는 광학 웨이브가이드 요소들을 실현시킬 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이, 제 2의 부가적인 요소가 저굴절률 실린더인 경우에는 특정의 장점이 얻어질 수도 있을 것이다.
실제로, 본 발명의 섬유의 주기적인 구조로 인해, 본 발명의 섬유는 다수의코어 영역을 갖도록 만드는 것이 용이하다.
이러한 코어 영역들은 하나 이상의 코어 영역들에 커플링할 수 있는 하나의 코어 영역을 지나는 빛에 충분히 근접하게 제공될 수 있다.
다른 한편, 코어 영역들은 단일 섬유 내에 몇몇개의 별도의 웨이브가이드들 제공하기 위해 서로 격리된 채로 위치할 수 있다. 실제로, 웨이브가이드들은 그들의 해당하는 광자 밴드갭 구조가 서로 다르고 예컨대 상이한 파장 또는 파장 대역에서 최적화되도록 충분한 거리로 떨어져 위치할 수 있다.
바람직하게는, 코어 영역들은 주기적 구조 내에서 대칭적으로 위치하는 것이 좋으며, 여기서 코어 영역의 주기는 주기적 구조의 주기보다 크다.
자연히, 본 발명 유형의 섬유는 오늘날 섬유가 사용되는 많은 분야에 이용될 수 있다.
네번째 측면에서, 본 발명은 액체 또는 가스의 적어도 한가지 특성을 감지 또는 검출하기 위한 센서에 관한 것으로, 이러한 센서는 다음을 포함하여 구성된다:
- 일정 길이의 본 발명에 따른 광섬유, 여기서 그의 코어 영역은 적어도 제 1의 부가적인 요소를 포함하며, 상기 제 1 요소는 광섬유의 세로 방향을 따라 확장된 공극임,
- 액체 또는 가스를 코어 영역의 공극 내로 제공하는 수단,
- 빛을 코어 영역 내로 도입하는 수단, 여기서 빛은 액체 또는 가스의 특성이 결정될 수 있도록 하는 방식으로 가스 또는 액체와 상호작용하도록 적용됨,
- 섬유로부터 방출된 빛을 검출하고 액체 또는 가스의 특성을 결정하기 위한 수단.
현재, 특성은 흡수 (absoprtion), 흡수도 (absorbance), 가스나 액체 중의 특정 제제나 물질의 존재여부, 예컨대 스모크 검출기와 같은 용도, 또는 광검출법에 의해 감지되는 기타 여하한 특성들일 수 있다.
가스 또는 액체가 빛의 파장에서 충분히 낮은 흡수도를 가지면, 도입 수단은 빛을 제 1의 부가적인 요소 내로 도입할 수 있도록 적용될 수 있다. 이 경우, 최적의 오버랩은 빛과 가스 또는 액체 사이에 존재한다.
다른 한편, 코어 영역은 섬유의 세로 방향으로 확장된 제 2의 연장된 요소를 포함할 수 있으며, 여기서, 제 1 및 제 2의 부가적인 요소들은 하나의 부가적인 요소 내를 지나는 빛이 다른 부가적인 요소와 커플링될 수 있는 거리로 위치하며, 이 때, 도입 수단은 제 2의 부가적인 요소 내로 빛을 도입하도록 적용된다. 이 경우, 제 1 요소로부터 제 1 요소로 확장되는 빛을 통해 감지가 일어난다.
또 다른 유형의 센서에서는, 이들 특성이 빛에 의해 직접 감지되지 않을 수 있다. 이 경우, 적절한 물질을 이러한 특성에 노출시키는 것이 바람직하며, 여기서, 이 물질의 응답을 광학적으로 감지할 수 있다. 따라서, 이 경우, 제 1의 부가적인 요소의 내면의 적어도 일부는 가스 또는 액체의 특성에 응답하여 변경되도록 적용되는 물질층을 포함할 수 있으며, 여기서 도입 수단은 물질 변경에 응답하는 파장의 빛을 도입하도록 채택된다.
센서는 섬유에 가스 또는 액체를 제공하기 위한 수단을 부가적으로 포함하며, 예컨대 센서가 스모크 검출기로 이용되는 경우 가스 펌프와 같이, 그 엔아 가스 또는 액체를 반복적으로 제공하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
다섯번째 측면에서, 본 발명은 광학 시그날을 증폭시키기 위한 섬유 증폭기에 관한 것으로 상기 섬유 증폭기는 다음으로 이루어진다:
- 본 발명에 따른 광학 섬유 일정 길이, 여기서 코어 영역은 적어도 그 길이의 일부에 도펀트 물질을 포함하고,
- 광학 시그날을 증폭시킬 수 있도록 도펀트 물질을 펌핑하기 위해 도펀트 물질에 펌프 래디에이션을 제공하기 위한 수단.
보통, 섬유 증폭기는 섬유 내를 지나는 펌프 래디에이션이 증폭 대역 외부로 나가지 못하도록 하기 위해, 펌프 시그날로부터 증폭된 광학 시그날을 스펙트럼 분리시키기 위한 수단을 포함한다.
특히 통신 목적에 있어서, 도펀트는 에르븀, 이테르븀, 프라시오디뮴, 네오디뮴 등과 같은 희토류 이온을 포함할 것이다.
다른 목적을 위해, 예컨대 섬유 또는 코어 영역 내에서 격자 또는 그 밖의 구조를 광학적으로 쓰거나, 또는 단순히 코어 영역의 굴절률을 변형시키는 것이 요구되는 경우, 도펀트는 게르마늄, 카에슘, 및/또는 감광성 증진 공-도펀트 (예컨대 수소 또는 중수소)와 같은 감광성 물질을 포함할 수 있다.
일곱번째 측면에서, 본 발명은 레이져 조사를 발생시킬 수 있는 섬유 레이져에 관한 것으로, 상기 섬유 레이져는 다음을 포함하여 구성된다:
- 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 따른 일정 길이의 광섬유, 여기서 코어영역은 적어도 그 길이의 일부에 도펀트 물질을 함유함,
- 광신호 증폭을 위해 도펀트 물질을 펌핑하기 위해 도펀트 물질에 펌프 래디에이션을 제공하기 위한 수단, 및
- 추가로 광신호를 증폭시키기 위해 광섬유의 길이를 통해 증폭된 광신호를 반복적으로 통과시키도록, 증폭된 광신호의 적어도 일부를 선택적으로 피드백 시키기 위한 피드백 수단.
특히 통신 목적을 위해, 도펀트는 에르븀, 이테르븀, 프라시오디뮴, 네오디뮴과 같은 희토류 이온으로 이루어진다.
또한, 도펀트는 예컨대 코어 영역이나 섬유 중에 격자를 쓰기 위한, - 또는 코어 영역의 굴절률을 증가시키는 것을 용이하게 하기 위해 게르마늄과 같은 감광성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한 반도체 및/또는 유전물질과 같은 물질을 이용하여 조립된 평면식 광학 요소의 경우 PBG 구조에도 적용된다. PBG 효과는 실리카를 기제로 한 평면형 웨이브가이딩 구조에서 평행한 공기충전 공극을 형성시킴으로써 얻을 수 있다.
이러한 요소의 한 예는 플라즈마 증강 화학기상증착법 (PECVD: plasma enhanced chemical vapour deposition)을 이용하여 얻어질 수 있는데, 높은 마루 (high ridges)가 오버클래딩되는 경우, 공기 실린더를 형성하는 것이 가능하다 (때로는 피하기 어렵다)는 것이 당업자들에게 알려져 있다. 따라서, 본 발명에 있어서, 보다 큰 공기 실린더를 개방함으로써 이들 조립 특성을 다듬고, 실린더축을 따라 광학적 전력이 가이드되는 광자 결정 구조를 정하는데 필요한 주기성과 이들의 가능한 외관을 결합시키는 것이 권장된다. 이러한 특성들은 2차원적인 PBG 구조가 정해질 수 있는 단일면에 이용되거나, 또는 앞서 개략한 디자인에 따라 3차원 구조를 형성할 가능성을 열어주는 멀티-레벨 에어 실린더를 조립하는데 있어서 부가적인 개발에 이용될 수 있다.
또한, 연장된 요소에 인접한 물질과 같은, 섬유 물질을 도핑하는 것이 요구될 수 있다. 다른 한편, 어떤 물질 층이 길이를 따라 요구될 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 프리폼 요소를 코팅시키거나 또는 소정의 물질로 도핑시킬 수 있다.
여덟번째 측면에서, 본 발명은 광섬유 제조를 위한 프리폼에 관한 것으로, 이 프리폼은 길이 방향의 길이와 그에 수직한 단면을 가지며, 다음을 포함하여 구성된다:
- 각각 프리폼의 길이 방향으로 확장된 중심축을 갖는 일차, 연장된 요소들, 여기서 이 일차 요소는 프리폼의 길이와 기본적으로 동일한 길이 방향의 길이를 가짐,
- 각각 프리폼의 길이보다 작은 길이만큼 프리폼의 길이 방향으로 연장된 삼입 요소들,
상기 일차, 연장된 요소들과 삽입된 요소들은 비주기적 구조와 적어도 실질적으로 2차원적인 주기적 구조를 모두 형성하며, 상기 비주기적 구조는 실제로 2차원적인 주기적 구조에 의해 감싸여 있으며,
상기 주기적 구조는 세로 방향에 수직인 단면에서 적어도 하나의 단위 셀에의해 정의되고, 여기서 각각의 단위 셀에 있어서:
- 첫번째 서클은 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 가지며 여하한 일차 요소의 여하한 부분도 포함하지 않는 가능한 가장 큰 서클 대역으로서, 상기 첫번째 서클의 원주는 삽입된 요소를 정의한다.
삽입된 요소들은 적어도 단면 부분에서, 삼각 구조를 갖는다. 각각의 단위 셀에서, 이들 일차, 연장된 요소들의 중심과 그의 일부들은 첫번째 서클의 중심으로부터 첫번째 서클의 반경의 1.5배 이하, 예컨대 1.2배 이하, 예컨대 1.1배 이하의 거리에 위치하며, 3변 이상의 첫번째 다각형의 꼭지점을 정의한다. 첫번째 다각형은 정다각형이다.
다른 한편, 첫번째 다각형은 6개 이상의 변, 예컨대 12개 이상, 예컨대 18개 이상, 예컨대 36개 이상의 변을 갖는다.
복수개의 삽입된 요소들은 프리폼의 세로 방향으로 확장된 축을 따라 배치된다. 일차, 연장된 요소들의 적어도 일부는, 그 단면에서, 삼각 구조, 벌집 구조 또는 카고메 구조를 갖는다. 일차, 연장된 요소 각각의 외부 표면은 일차 영역을 정의할 수 있으며, 삽입된 요소들 각각의 외부 표면은 이차 영역을 정의할 수 있다. 여하한 일차 영역의 면적은 여하한 이차 영역의 면적과 다르다.
각 단위 셀에 있어서, 모든 이차 면적의 합은 단위 세포 면적의 0.09배보다 크고, 예컨대, 단위 세포 면적의 0.1배, 예컨대, 0.15배, 예컨대 0.2배, 예컨대 0.25배, 예컨대 0.3배, 예컨대 0.4배, 예컨대 0.5배, 예컨대 0.6배, 예컨대 0.7배, 예컨대 0.8배보다 크다.
프리폼에서 여하한 이차 면적은 여하한 일차 면적보다 상수배만큼 크며, 상기 상수는 1.1보다 큰, 예컨대 1.2보다 큰, 예컨대 1.3보다 큰, 예컨대 1.4보다 큰, 예컨대 1.5보다 큰, 예컨대 2 보다 큰, 예컨대 4보다 큰, 예컨대 7보다 큰, 예컨대 10보다 큰, 예컨대 20보다 큰, 예컨대 50보다 큰 수이다.
일차, 연장된 요소들은 할로우 일 수 있으며, 여기서 삽입된, 연장 요소들은 고체일 수 있다. 연장된 요소들은 실리카를 기제로 한 물질로 될 수 있다. 다른 한편, 연장된 요소들은 폴리머를 기제로한 물질로 이루어질 수 있다.
프리폼은 부가적인 연장 요소들을 추가로 포함할 수 있으며 상기 부가적인 연장 요소들 각각은 프리폼의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖고, 각각 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 가지며, 각각의 면적은 단위 셀의 면적을 초과하지 않고, 각각은 그 세로 방향에서 프리폼의 길이와 기본적으로 동일한 길이를 가지며, 각각 여하한 일차, 연장된 요소들과 다른 부가의 영역을 정의한다. 이들 부가의 연장된 요소들은 고체일 수 있다.
위치와 관계없이, 부가적인 연장 요소들은 적어도 부분적으로는 첫번째 서클 내에 있다. 바람직하게는, 부가적인 연장된 요소들의 적어도 일부의 중심들이 첫번째 서클의 중심과 실제로 일치하는 것이 좋다.
프리폼은 코어 영역을 부가로 함유할 수 있는데, 이 코어 영역은 비-주기적 구조에 의해 정의되며, 코어 영역은 적어도 실제적으로 이차원적으로 주기적인 구조에 의해 둘러싸여 있는 것이다. 바람직하게는, 코어 영역이 할로우 영역을 포함하는 것이 좋고, 여기서 적어도 실제로 2차원적으로 주기적인 구조는 적어도 2개의주기를 포함하는 코어 영역을 둘러싸고 있다.
프로세스를 그리는 동안 큰 공극 충전 분획을 확실히 하기 위해서, 추가의 이니셔티브를 이용할 수 있다. 여기에는 미국특허 5,802,236호에 기재된 바와 같이 가스를 섬유 공극 내에 제공해서 캐필러리 튜브의 한쪽 끝을 밀봉하는 것이 포함된다. 또한 본 발명에서, 프리폼의 한 말단 또는 양 말단 모두에서 지그와 캐필러리 (뿐만 아니라 여하한 로드도)를 함께 용융시킴으로써 프리폼의 전체 말단을 밀봉하는 것이 바람직하다. 특정 위치에 지그가 존재하는 경우, 프리폼을 따라 특정 위치에서 밀봉하는 것도 흥미로울 수 있다. 다른 한편, 바람직한 한 구체예에서는, 주기적인 클래딩 구조의 고굴절률 중심을 커버하지 않는 공극들만이 밀봉된다. 따라서 나머지 공극들 (고굴절률 중심을 커버하는, 따라서 바람직하지 못한 것들)은 많이 남을 것이 소망되는 공극들보다 훨씬 빨리 붕괴될 것이다.
따라서, 아홉번째 측면에서, 본 발명은 세로 방향의 길이와 그에 수직인 단면을 갖는 프리폼의 조립 방법에 관한 것으로, 상기 조립 방법은 다음 단계로 이루어진다:
- 소정의 형상과 그의 내부 표면에 확장된 그루브 (groove)를 갖는 프리폼을 위한 소정의 홀더 (holder)를 제공하고,(여기서 상기 그루브는 프리폼의 길이와 기본적으로 같은 세로 방향의 길이를 갖는 것임)
- 각각 프리폼의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 일차, 연장된 요소들을 제공하며, (여기서 상기 일차 요소는 프리폼의 길이와 기본적으로 동일한 세로방향의 길이를 갖는 것임)
- 각각 프리폼의 길이보다 짧은 길이만큼 세로 방향으로 확장된 2차 요소들을 제공하고,
- 복수개의 이차 요소들을 프리폼의 세로 방향을 따라 기본적으로 동일한 위치에 위치시킨다.
열번째 측면에서, 본 발며은 세로 방향의 웨이브가이드 구조를 갖는 광섬유에 관한 것으롸, 상기 광섬유는 다음을 포함하여 구성된다:
- 세로 방향을 따라 확장된 클래딩 영역, 상기 클래딩 영역은 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 연장된 요소들을 포함하는 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조를 포함하고, 상기 연장된 요소들의 굴절률은 이들 연장된 요소들에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 낮은 것임,
- 세로 방향을 따라 확장된 코어 영역, 상기 코어 영역은 세로 방향으로 확장된 적어도 하나의 공극을 포함하며, 상기 적어도 하나의 공극의 단면적은 클래딩 영역 내에 포함된 여하한 연장된 요소의 단면적보다 상수배만큼 크며, 상기 상수는 1.1을 초과, 예컨대 1.3을 초과, 예컨대 1.5를 초과, 예컨대 1.7을 초과, 예컨대 2를 초과, 예컨대 3을 초과, 예컨대 5를 초과, 예컨대 10을 초과, 예컨대 20을 초과, 예컨대 50을 초과하는 것이다.
직사각형의 중심은 가능한 최소한의 직사각형의 중심으로서 정의되며, 상기 중심은 코어 영역 외부에 위치하지 않고, 상기 직사각형은 적어도 하나의 공극을 포함하고,
- 직사각형성(rectangularity) 이라는 것은 직사각형의 최장변의 길이를 직사각형의 최단변의 길이로 나눈 길이로 정의되고,
- 첫번째 축은 가능한 최장의 꼭지점으로 정의되며, 직사각형의 중심은 상기 첫번째 축 상에 위치하고, 여기서 상기 첫번째 축의 각 말단은 적어도 하나의 공극의 하나에 포함되어 있는 것이며,
- 두번째 축은 첫번째 축에 실질적으로 수직인 축으로 정의되며, 이 두번째 축은 가능한 최장의 꼭지점으로서 정의되고, 직사각형의 중심은 상기 두번째 축 상에 위치하고, 여기서 상기 첫번째 축의 각 말단은 적어도 하나의 공극들 중 하나에 포함된 것이고,
- 편심성 (eccentricity)은 첫번째 축의 길이를 두번째 축의 길이로 나눈 길이로서 정의된다.
직사각형은 정방형일 수 있고, 여기서 편심성은 1을 초과, 예컨대 1.1을 초과, 예컨대 1.3을 초과, 예컨대 1.5를 초과, 예컨대 1.7을 초과, 예컨대 2를 초과,예컨대 3을 초과, 예컨대 5를 초과, 예컨대 10을 초과한다.
직사각형성은 1을 초과, 예컨대 1.1을 초과, 예컨대 1.3을 초과, 예컨대 1.5를 초과, 예컨대 1.7을 초과, 예컨대 2를 초과, 예컨대 3을 초과, 예컨대 5를 초과, 예컨대 10을 초과한다.
본 발명은 보다 큰 광자 밴드갭 (photonic bandgap)을 얻음으로써 할로우 코어 (hollow core)에 빛을 수렴시킬 수 있는, 특히 광섬유에 이용되는, 신규한 일련의 클래딩 (cladding) 디자인에 관한 것이다.
도 1은 광자 결정 섬유의 종래기술 분야에서 클래딩 구조로 알려져 있는, 정삼각형 광자 결정 구조를 도시한 것이다.
도 2는 45%라는 비교적 큰 공기-충전 분획을 갖는 정삼각 광자 결정 구조의 모달 인덱스 분석도이다. 실선은 PBG 바운더리를 나타내는데, 이 안에서는 결정 내에 어떠한 필드 솔루션도 존재하지 않는다. 유효 클래딩 인덱스를 표시하는 선 (점선)은 주기적 구조에서 최저-주파수 허용 모드로서 정의되며 - 클래딩 구조의 유효 굴절률인 nc-eff에 관련된 것이다. 소위 에어 라인은 실점선으로 표시되어 있다
도 3은 단일의 클래딩 홀보다 그 면적이 현저히 큰 공기 (또는 진공) 충전 코어와, 클래딩 내의 공기 충전 분획이 큰 (f=45%) 광자 결정 섬유에 있어서 공기-가이드된 모드의 이론적인 예상도이다. 모드 강도는 코어의 중심 주변의 고리에서 피크를 이룬다.
도 4는 새로운 조립 기술을 도시한 것으로서, 큰 공극 충전 분획을 갖는 섬유를 조립하기 위해, 짧은 지그가 도입되어 있다. 지그는 프리폼의 전체 길이를 통해 뻗어있지는 않다.
도 5는 새로운 조립 기술을 이용하여 실현된 프리폼의 일부 단면을 도시한 것이다. 단면은 프리폼을 따라 위치되게 그려져 있으며, 여기서 지그는 연장되어 있지 않다.
도 6은 최종 섬유에 대한 프리폼을 드로우잉(drawing)/풀링 (pulling) 동안 공극을 붕괴시키는, 표면장력을 도시한 것이다.
도 7은 프리폼의 드로우잉/풀링 도중 공극의 붕괴를 이론적으로 설명하는데 이용되는 x- 및 y-변수의 온도 의존성을 예시한 도면이다.
도 8은 종래의 조립기술 (점선)을 이용하여 조립된 광섬유의 총 고윽 충전 분획과, 본 발명의 새로운 조립기술 (실선)을 이용하여 조립된 광섬유의 총 공극 충전 분획의 간단한 시뮬레이션을 예시한 도면이다.
도 9는 클래딩 구조의 최적화 공정에 이용되는 노드 (nodes) 및 베인 (veins)의 개념도이다.
도 10은 기본적인 삼각형 구조를 보여준다.
도 11은 최고값의 Λ/λ를 위해 에어 라인과 교차하는 밴드갭의 크기를 도시한 것으로, 즉, 표준화된 주파수에 대한 함수로서, 고정된 파장에서의 최대 구조 디멘젼에 나타나는 밴드갭의 크기를 나타낸 것이다. 네가지 상이한 구조가 분석되어 있다. 즉, 공기 충전 분획이 45%인 정삼각 구조 (타잎 A, 도 10 참조), 벌집 구조 내로 작은 틈새 공기 공극들이 도입되어 있는 변형된 삼각 구조 (타잎 B, 도 12 참조: 이 구조는 미세구조화 섬유에 관한 종래기술에 알려져 있다), 카고메 구조 내로 작은 틈새 공기 공극들이 도입되어 있는 최적화된 삼각 구조 (타잎 C, 도 13 참조), 및 마지막으로 타잎 C의 구조와 동일하나, 틈새 공기 공극의 크기가 약간 더 큰 최적화된 삼각 구조 (타잎 D)가 분석되어 있다.
도 12는 세개의 인접한 커다란 공극 사이의 중간에 위치한 작은 틈새 공극을 갖는 삼각 구조를 도시한 것이다. 틈새 공극들은 벌집 구조를 형성한다.
도 13은 두개의 인접한 커다란 공극 사이의 중간에 위치한 작은 틈새 공극을 갖는 삼각 구조를 도시한 것이다. 틈새 공극들은 카고메 구조를 형성한다.
도 14는 타잎 A, B, C, 및 D의 4개의 구조에 대해 모드 인덱스 (밴드갭의 중심-주파수를 이용하여 산출함)의 함수로서 밴드갭의 크기를 도시한 것이다.
도 15는 프리폼의 단면의 일 구체예를 개략적으로 나타낸 것이다. 캐필러리 튜브, 로드 및 지그를 이용하여 프리폼이 적층되어 있다. 이 도면에 제시된 단면은 지그가 연장되어 있지 않은 위치에서 취해진 것이다. 캐필러리 튜브는 카고메 구조로 배치되어 있다. 로드는 캐필러리 튜브보다 작은 외경을 가지며, 이들은 세개의 캐필러리 튜브의 정중앙에 위치하고 있다. 단일의 캐필러리 튜브과 2개의 로드를생략시킴으로써 프리폼에 비대칭적인 코어 영역이 도입된다.
도 16은 코어 형성을 위해 커다란 주기성-파괴 영역이 도입되어 있는 프리폼의 단면의 한 예를 도시한 것이다. 새로운 조립 기술을 통해 섬유 코어를 쉽게 실현시킬 수 있으며, 이 구체적인 경우에 있어서, 코어 영역을 형성하기 위해 7개의 지그 어레이가 이용되고 있다. 내부 클래딩 구조 (클래딩 구조가 광자 밴드갭 효과를 나타내기 위해서는 내부 클래딩 구조가 주기적일 것이 요구됨)의 바깥에 비-주기적인 구조가 위치되어 있다.
도 17은 벌집형으로 배치된 캐필러리 튜브의 클래딩 구조의 중심에 위치한 거의 원형인 코어-형성 공극을 도시한 것이다. 코어 영역과 클래딩 영역 사이의 바운더리를 "매끄럽게 만들어주기" 위해 여분의 캐필러리 튜브들이 도입되어 있다.
도 18은 더 큰 규모로, 벌집형으로 배치된 캐필러리 튜브의 클래딩 구조의 중심에 위치한 거의 원형인 코어-형성 공극을 도시한 것이다. 여기에서도 코어 영역과 클래딩 영역 사이의 바운더리를 "매끄럽게 만들어주기" 위해 여분의 캐필러리 튜브들이 도입되어 있다.
도 19는 원형의 벌집형으로 배치된, 캐필러리 튜브에 의해 형성된 클래딩 구조의 중심에 위치한 커다란, 거의 직사각형의 코어 공극의 일례를 도시한 도면이다. 직사각형 코어의 단면적은 클래딩 구조의 각각의 개별적인 공극들의 어떠한 단면적보다도 크다. 이러한 비-원형 코어 영역들은 광섬유에 있어서 편광(polirisation) 효과를 조절하는데 중요하다.
도 20은 새로운 조립 기술을 이용하여 실현가능한 진보된 구조의 일례를 도시한 것이다.
도 21은 새로운 조립 기술을 이용하여 실현가능한 진보된 구조의 또 다른 일례를 도시한 것이다. 이 구조는 크기가 더 큰 단일 캐필러리 튜브가 코어를 형성하고 있는 것을 제외하고는 도 20의 구조와 거의 동일하다.
도 22는 새로운 조립법을 이용하여 실현가능한 진보된 코어 구조의 일례를 도시한 것으로, 여기서는 크기가 다른 캐필러리 튜브과 로드가 조합적으로 사용되어 있다.
도 23은 최종 섬유에 나타날 수 있는 바와 같이, 주기적인 클래딩 구조의 일례를 도시한 것이다. 공극들 사이의 바운더리와 배경은 매끄러운 것이나, 구조를 수치적으로 시뮬레이션 한 결과 도면에는 거칠게 나타나있다.
도 24는 최종 섬유에 나타나는 바와 같이, 주기적인 클래딩 구조의 일례를 도시한 것이다.
도 25는 최종 섬유에 나타나는 바와 같이, 주기적인 클래딩 구조의 또 다른 일례를 도시한 것이다.
도 26은 최종 섬유에 나타나는 바와 같이, 주기적인 클래딩 구조의 또 다른 일례를 도시한 것이다.
도 27은 본 발명에 따른 광섬유의 길이를 이용하여 광신호를 증폭시키기 위한 섬유 증폭기를 도시한 것이다.
도 28은 본 발명에 따른 광섬유의 길이를 이용하여 광신호를 출력하기 위한 섬유 레이져글 도시한 것이다.
웨이브가이드가 PBG 효과에 의해 작동하는데 있어서 가장 기본적인 요구사항은 주기적인 클래딩 구조가 존재할 것과 이 클래딩 구조가 PBG 효과를 나타낼 수 있어야 한다는 것이다. PBG 효과를 나타내는 공지의 구조는 실리카 중에 큰 공기공극이 배치된 정삼각형 구조이다.
도 1에는, 정삼각형 구조가 도시되어 있는데, 배경 물질 (1), 공극/로드 (2), 인접한 두개의 공극/로드간의 중심과 중심간의 간격, Λ, 그리고 공극/로드의 직경d가 표시되어 있다. 광섬유에 있어서 주목이 되는 특정한 정삼각형 구조는 실리카 배경 물질 중에 공기 공극이 주기적으로 배치된 것이다. 이러한 구조는 상기 Birks 등의 문헌에 설명된 바와 같이 광자 밴드갭 효과를 나타낼 수 있다. 미세구조 섬유를 논할 때 중요한 한가지 변수는 클래딩의 공극 충전 분획 f로서, 이것은 섬유의 길이 방향에 수직인 단면에서, 클래딩의 주기적 부분의 총단면적에 대한 총 공극면적의 분획으로서 정의된다. 최종 섬유는 세로 방향을 따라 불변인 것으로 고려되므로, 상기 정의된 충전 분획은 주기적인 클래딩 구조에서 공극 물질의 총 부피 충전 분획과 동일하다.
실리카 중 원형의 공기 공극의 삼각형 배치에 의해 나타난 광자 밴드갭을 도 2에 도시하였다. 이 특정 구조의 공극 충전 분획은 45% (Birks 등의 참고문헌에 제시된 것과 동등함)이다. 도 2에 제시된 것을 수치적으로 시뮬레이션하기 위해, 실리카 배경 물질의 굴절률을 1.45에 맞추고, 공극의 굴절률을 1.0으로 맞췄다 (공기 또는 진공 또는 진공 공극을 시뮬레이션하기 위해).
도면은 삼각 광자 밴드갭 구조의 인덱스 분석결과를 도시하는데, 당업자라면, 구조 내에 허용된 모드의 인덱스가 허용된 모드의 파수k로 나누어진 전파 상수 β (공극의 중심축에 평행한 웨이브 벡터의 그 성분으로서 정의됨)로서 정의된다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
이 시뮬레이션으로부터 어떠한 모드도 허용되지 않은 4개의 영역이 밝혀졌다 (PBG 바운더리라고 표시됨). 이들 소위 4개의 완전한 평면외 (out-of-plane) 2차원 PBG는 삼각 구조의 주기적 특성에 의해서만 나타난다. 4개의 PBG 영역 중, 어떠한 모드도 삼각 구조가 허용되지 않으며, 삼각 구조는 따라서 전자기 조사를 반영하는데 이용될 수 있을 것이다.
몇몇 PBG 영역이 소위 에어-라인을 교차하는 것을 주목하는 것이 매우 중요한데, 이는, 삼각 구조가 자유공간 파장 λ 및 PBG 영역이 에어 라인 밑에 위치하거나 에어 라인과 오버랩되는 β 조합의 특정 대역에 있어서 공기로부터 입사된 전자기 조사를 반사할 수 있음을 가리키는 것이다. 주파수는 중심과 중심간의 공극 거리 Λ가 표준화에 이용된, 표준화된 유닛으로 주어지므로, 삼각형 구조가 공기로부터 입사되는 가시광선 및 근적외광선 (파장이 약 1μm임)은 반사시키기 위해서는, Λ-디멘젼이 약 2 μm 이하일 것이 요구된다는 것이 명백하다. 따라서, 공기 충전된 코어 영역이 공기로부터의 광선을 반사하는 PBG 구조에 의해 둘러싸여 있는 광섬유를 조립하기 위해서는, 최종 섬유는 큰 공기 충전 분획 뿐만 아니라, 매우 작은 디멘젼도 요구한다.
할로우 코어내에서 빛을 전적으로 가이드하는 밴드갬 섬유의 수치적인 시뮬레이션의 일례를 도 3에 도시하였다. 섬유는 큰 공기 (또는 진공) 코어를 둘러싼 정삼각 클래딩 구조를 갖는다. 도 3의 섬유는 45%의 공극 충전 분획을 갖는다. 이 섬유가 1.5μm로 작동될 경우, 섬유의 클래딩 구조의 요구되는 디멘젼은 중심과 중심간의 공극 거리 1.9μm이다 (도 3의 모드는 표준화된 주파수에 대해 산출된 것으로, 도 2의 밴드갭 영역에 나타난 모드는 약 Λ/λ=1.3이다). 최근 알려진 조립 기술을 이용하면, 소망되는 작은 디멘젼 (2μm 미만)을 가지면서 동시에 클래딩 구조 중에서 큰 공극 충전 분획 (15%를 초과하는)을 갖는 섬유를 만들어내는 것이 불가능했었다.
그러나, 본 발명자들은 현재 이용되고 있는 밀봉된 어레이 중의 캐필러리 튜브 적층이 큰 공극 충전 분획을 갖는 광자 결정 섬유를 조립하는데 있어서 최적의 조립 기술이 아님을 깨달았다. 현재 이용되는 밀봉 기술 대신, 본 발명자들은 작은 크기로도 매우 큰 공극 충전 분획을 갖는 견고한 섬유를 조립할 수 있는 새로운 조립 기술을 실현하였다.
주로 새로운 유형의 프리폼을 조립하는데 관련된 이 조립 기술은 도 4에 설명되어 있다. 이 조립 기술은 프리폼의 전체 길이를 통해 뻗어있지는 않은 짧은 지그 (3)을 이용함으로써 밀봉되지 않은 어레이에서 캐필러리 튜브(4)를 지지한다. 따라서, 현재의 기술로 가능한 것보다 큰 공극 충전 분획을 갖는 섬유가 조립될 수 있는 것이다.
바람직한 구체예에서 캐필러리 튜브(4)이 벌집 구조 (도 4 참조)로 배치되어 있고, 지그(3)는 삼각 구조로 배치되어 있다. 지그는 프리폼 길이 전체를 통해 뻗어있지는 않으므로, 그 단면에 지그가 존재하지 않는 프리폼 섹션이 (많이) 존재할 것이다.
도 5에는 프리폼의 바람직한 한 구체예의 단면이 도시되어 있다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 모든 공극들 (5) (캐필러리-도입된 공극 (6)과 지그-도입된공극 (7) 사이에 분리되지 않은)는 삼각 구조로 배치되어 있다. 이 구조의 단위-셀 은 (8)로 표시되어 있다. 또한, 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 지그-도입된 공극 (7)은 캐필러리-도입된 공극 (6)의 크기보다 크다. 이는 현 조립 기술에 비해 프리폼 내의 보다 큰 총 공극 충전 분획이 달성될 뿐만 아니라 더 큰 공극 충전 분획이 최종 섬유에서 보존될 수 있다는 명백한 장점을 갖는다. 그 이유는 최종 섬유로 프리폼을 드로우잉/풀링하는 동안 공극의 크기를 감소시켜주는 표면장력에 관계되어 있다.
매우 작은 디멘젼으로 유도된 섬유에서 흔히 관찰되는 바와 같은, 조립 중 공극의 완전한 붕괴조차 피할 수 있다 (또는 적어도 더 높은 드로우잉/풀링 온도에서 일어날 것이다). 표면장력은 공극의 반경에 크게 의존하므로, (표면장력은 반경이 감소할수록 훨씬 커진다), (새로운 조립 기술을 통해 도입된) 공극(7)이 클수록 캐필러리 튜브 (6)의 내면으로부터 형성된 공극보다 표면 장력이 더 약하게 된다. 표면장력을 도 6에 나타내었다.
현재 이용되는 기술에 비해 본 발명의 새로운 조립 기술의 장점을 설명하기 위해, 2개의 상이한 섬유에 대해 클래딩의 총 공극 충전 분획을 비교하였다. 비교에 사용된 섬유들 중 한 섬유 (섬유 1)는 현재 알려져 있는 기술 (캐필러리 튜브의 교차-패킹 어레이를 이용함)에 의해 조립된 것이고, 다른 섬유 (섬유 2)는 본 발명의 새로운 기술, 즉, 캐필러리 튜브를 벌집 구조 (관을 지지하기 위해 지그를 사용하여 커다른 공극을 만들어냄)로 배치시킨 새로운 조립 기술에 의해 조립되니 것이다. 두가지 섬유 모두에서 사용된 캐필러리 튜브는 동일하나, 단 섬유 2는 섬유 1캐필러리 튜브의 수에 비해 2/3의 캐필러리 튜브만을 함유한다. 섬유 1에서, 드로우잉/풀링 공정 중의 총 공극 충전 분획f T,1 은 최초 근사치로서 다음으로 표시될 것이다
f T,1 = x(t)·f i.1 (1)
식 중,f i,1 은 섬유 중 초기 공극 충전 분획이고,x(t)는 온도에 대한 함수로서 공극 크기의 감소를 설명한다. (프리폼을 작은 크기로 드로우잉/풀링하는데 필요한) 높은 온도에서는 실리카가 보다 유연하므로, 표면장력은 높은 온도에서 공극 크기를 감소시킬 것이다. 오직 2/3의 공극만이 섬유 1의 공극과 동일하고, 1/3의 공극은 그보다 큰 섬유 2에 있어서는, 총 공극 분획 fT,2는 첫번째 근사치로서 다음으로 표시될 것이다.
f T,2 = 2/3 ·x(t)·f i.1 +y(t)·f i,t (t)(2)
식 중,f i,2 는 지그-도입된 공극의 초기 공극 충전 분획이고,y(t)는 온도에 대한 함수로서 지그-도입된 공극 크기의 감소를 설명하는 것이다. 인자 x(t)와 y(t)는 일반적으로 2 타잎의 공극의 모양이 서로 다르기 때문에 서로 동일하지 않을 것이므로, 상이한 표면 장력을 갖게 될 것이다.
새로운 조립 기술로부터 얻어지는 한가지 중요한 장점은, 표면장력이 캐필러리-도입된 공극 (6)의 크기를 처음 감소시킴에 따라, 섬유 2에서 지그-도입된 공극 (7)이 개방되는 (또는 적어도 그의 크기 감소가 현저히 방해될 것이다) 경향이 있다는 것이다. 지그-도입된 힘보다 캐필러리 튜브-도입된 공극의 표면장력이 클수록, 따라서 x(t)-인자가 y(t)-인자보다 초기에 빠르게 감소할 것이다.
상기 경향을 도 7에 도시하였다. 이 도면에서는 캐필러리-도입된 공극과 지그-도입된 공극의 붕괴의 간략한 시뮬레이션이 수행되어 있다. 이 도면은 새로운 조립 기술의 중요한 장점을 보여주는데, 즉, 캐필러리 튜브-도입된 공극보다 높은 드로우잉/풀링 온도에서 지그-도입된 공극의 크기이 유지될 수 있음을 보여준다. 이것은 x(t)의 그것에 비해 y(t)가 약 1에 가까운 보다 넓은 온도 대역으로서 나타난다. 또한, 지그-도입된 공극들은 초기에는 캐필러리-도입된 공극보다 크며 이것은 당연히,
새로운 조립 기술을 이용하여 만들어진 섬유 (섬유 2)의 총 공극 충전 분획이, '통상적인' 섬유 (섬유 1)의 총 공극 충전 분획보다 클 것임을 의미하는 것이다.
두 섬유들의 총 공극 충전 분획을 도 8에 도시하였다. 여기서, 캐필러리=도입된 공극 (fT,1=0.70)을 이용해서 70%의 초기 공극 충전 분획과, 지그-도입된 공극 (tT,2=0.40)을 이용해서 40%의 초기 공극 충전 분획이 이용되었다. 이 도면은 새로운 조립 기술을 이용해서 만들어진 섬유가 두가지 중요한 장점을 갖는다는 것으로 보여준다. 첫번째는, 주어진 드로우잉/풀링 온도에서 얻어질 수 있는 총 공극 분획이 더 크다는 것이다. 드로우잉/풀링 온도는 크기가 작은 섬유를 만드는데 있어서 가장 중요한 인자이므로 (온도가 높다는 것은 섬유가 더 작은 크기로 드로우잉/풀링될 수 있음을 의미한다), 이러한 첫번째 장점은 크기가 작은 섬유에 대해 큰 공극 충전 분획을 갖는 미세구조의 섬유를 제조하는데 있어서 필수적인 것이다. 두번째 장점은, 새로운 조립 기술의 결과로서 공극들이 붕괴되는 임계 온도 (공극 충전 분획이 0으로 감소됨)가 증가된다는 것이다 (t2>t1). 섬유가 조립될 수 있는 온도가 이와 같이 증가되었다는 것은, 최종 섬유에서 특정의 공극 충전 분획이 요구되면, 새로운 조립 기술을 이용하여 보다 높은 온도에서 섬유를 조립할 수 있음을 의미하는 것이다.
따라서, 본 발명의 새로운 조립 기술은 현재 가능한 공극 충전 분획보다 더 큰 공극 충전 분획을 갖는 섬유를 조립하는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라, 고온에서 -공극의 총 붕괴 없이- 섬유를 제조할 수 있다는 매우 중요한 가능성을 제공해준다. 고온에서 섬유를 제조하는 것이 가능함에 따라 섬유의 조립 기술이 보다 용이해 질 뿐만 아니라, 섬유의 중심 축을 따라 더 높은 정도의 균일성이 얻어질 수 있다. 보다 용이한 조립 기술과 증가된 균일성은 보다 우수한 섬유 생산성을 의미함에 따라, 이러한 장점들은 상업적인 섬유 개발에 중요하다. 섬유에 심각한 산란 손실을 야기할 수 있는, 표면 조도 (surface roughness)라는 중요한 측면에 있어서도, 고온에서의 섬유 조립 가능성은 공극과 배경 물질간에 보다 매끄러운 바운더리를 제공해주며, 이것은 따라서, 산란 손실을 감소시켜준다.
이제까지는 본 발명의 상세한 설명을 주로 밴드갬 가이딩 광학 섬유의 클래딩 구조의 특성에 집중시켰었다. 지금부터는, 코어 영역(들)에 대해 토의할 것인데, 클래딩 구조의 최적화는 목적하는 특정 코어에 크게 의존한다. 본 발명에서, 이러한 코어는 바람직하게는 공기, 다른 가스, 액체 또는 진공을 함유하는 할로우이다.
광자 결정의 주기성을 지역적으로 파괴시킴으로써, 주변의 벌크 광자 결정과 상이한 광학 특성을 갖는 공간 영역을 창조할 수 있다. 이러한 디펙트 영역 (defect region)이 주변의 완전히 주기적인 구조의 금지된 갭 내부에 떨어지는 주파수를 갖는 모드를 지지한다면, 이러한 모드들은 디펙트로 강력하게 수렴될 것이고, 이에 의해, 웨이브가이드의 코어가 형성되는 것이다. 이것이 PBG 가이딩 섬유의 작동 원리이며, 즉, 광자 결정 클래딩 및 정확히 고안된 디펙트에 의해 구현된 완전한 평면외 (out-of plane) 2D 밴드갭이 매우 강력한 트랜스버스 수렴이 달성될 수 있는 공간 영역이 형성된다. 이 디펙트 영역이 주변의 주기적 구조와 상이한 광학적 특성을 나타내기 위해, (즉 국소화된 모드를 지지할 수 있기 위해서는), 주면 영역보다 디펙트 영역의 굴절률이 커야 할 필요는 없다는 것을 인지하는 것이 중요하다.
비-주기적인 유전성 주변 매질에 있어서 필드 국소화가 일어날 수 있는 유일한 경우는 고굴절률 코어 영역이다 (이것은 물론 모든 종래의 광학적 웨이브가이드에서 사용된 총 내부반사의 경우이다). 따라서, 인덱스 가이던스 웨이브가이드 이론에 의하면 그의 주변보다 굴절률이 낮은 영역으로 수렴된 빛의 누출없는 가이딩은 불가능할 것으로 예상되나, 주변 물질이 PBG 효과를 나타닌다면, 저굴절률 디펙트 영역조차도 빛을 국소화시킬 수 있을 것이고, 따라서, (새롭고) 고도의 비범한웨이브가이드로서 작용할 것이다.
도 2의 삼각 클래딩 구조와 같은 구조 및 커다란 할로우 코어 (굴절률이 공기와 같은)를 갖는 동일한 미세 구조화 섬유의 수치 시뮬레이션을 도 3에 도시하였다. 이 도면은 주로 공기 (또는 진공)에 국소화된, 가이드된 모드에 대한 전기장의 스퀘어의 분포를 도시한 것이다. 클래딩 중 섬유의 공극 충전 분획은 45%이고, 코어 크기는 클래딩 중 단일 공극의 크기의 약 14배에 해당한다. 섬유 구조의 중심 부분의 윤곽을 점선으로 나타내었다 (코어를 포함해서). 수렴된 모드는 약 1.3Λ/λ의 표준화 주파수에서 광자 밴드갭 영역의 내부로 떨어지는 코어 디펙트에 국소화된 것으로 밝혀졌다.
도 2로부터 광자 밴드갭 중 하나가 에어-라인과 오버랩되는 범위 내로 이러한 값이 포함되는 것을 알 수 있다. 따라서, 특정 (λ,β) 값을 갖는 빛은 클래딩 구조 내에서 허용되지 않지만, 공기로부터 입사되는 경우 반사될 수 있다. 이것은 수치적으로 발견된 모드와 일치하며, 여기서 빛은 할로우 코어 내에서 거의 전적으로 국소화된다. 모드는 클래딩 내의 모드와 커플링되도록 허용되지 않으므로 (광자 밴드갭 내에 포함되므로), 모드는 섬유를 통해 누출없는 가이던스를 경험할 것이다. 이러한 특성, 즉, 할로우 코어 섬유 내에서 빛의 누출없는 가이던스는 여러가지 응용분야에서 매우 유용한 것으로, 이 중, 센서와 원거리통신 분야에 대해서는 이미 언급한 바 있다. 필드가 섬유의 할로우 코어 내에 전적으로 수렴되고, 이 할로우 코어가 저굴절률의 가스 또는 진공인 이상적인 상황에서는, 도 3의 모드의 전파 손실이 명백히 크게 낮을 것이다.
필드가 오직 일부만이 할로우 코어에 위치하는 덜 이상적인 상황에서조차, 흡수 손실은 클래딩 배경 물질 (예컨대 순수 실리카)의 그것보다 적어도 더 낮을 것이다. 따라서 전통적인 총 내부 반사 가이딩 섬유 (즉, 고굴절률 섬유)에서 저손실 가이더스를 위한 기본적인 배리어는 할로우 코어 내에서 빛을 가이드하는 섬유의 출현에 의해 깨지게 될 것임이 명백하다. 필드가 할로우 코어 내로 수렴될 수 있다는 것은 그 밖에도 많은 장점을 갖는데, 그 중 하나는 섬유 배경 물질에 손상을 입히지 않으면서 섬유를 통해 높은 강도로 전달될 수 있다는 것이다.따라서, 여하한 고굴절률 코어 섬유보다도, 할로우 코어를 갖는 PBG 가이딩 광섬유에서는 훨씬 높은 전력이 전달될 수 있다. 또 다른 장점은 광섬유에 있어ㅓ 비선형 효과가 제거된다는 것인데, 이것은 데이타가 통상적인 광섬유를 통해 전달될 수 있는 속도로 궁극적인 한계를 설정한다. 할로우 코어가 진공에 가깝거나 또는 순수한 공기라면 실질적으로 섬유에서 어떠한 비선형 효과도 일어나지 않을 것이다 (실제로 어떠한 전력 수준에서도). 마지막으로, 할로우 코어가 진공으로 되어 있다면 물질의 분산은 거의 무시해도 좋다.
PBG 효과의 구현은 PBG에 기초한 웨이브가이드에 있어서 필수요구사항이기 때문에, 무엇보다도 PBG 효과를 나타낼 수 있는 클래딩 구조를 위한 디자인을 제공하는 것이 필요하다. 또한 PBG 영역의 폭과 길이를 두가지 모두 증가시키기 위해 클래딩 구조를 최적화하는 것이 중요하다. 현재 알려진 섬유에 비해, 본 발명은 에어 라인 미만으로 확장되는 보다 넓은 광자 밴드갭을 제공하는, 개선된 클래딩 구조를 여러개 개시한다. 당업자라면 인식할 수 있는 바와 같이, 보다 넓은 밴드갭을구현하는 구조는 코어 영역 내에서 국소화된 모드를 보다 강력하게 수렴시킨다. 더욱 강력한 수렴은 보다 견고하고, 무감강학 섬유를 결과시키므로, 널브ㅇㄴ 밴드갭에 최적화된 새로운 클래딩 구조는 당연히 초저손 PBG 가이딩 섬유를 실현하는데 있어서 극히 중요한 것이다. 섬유의 "튜닝"-범위는 (즉 PBG 가이딩 섬유가 작동할 수 있는 파장 범위) 또한 밴드갭의 폭에 직접 관련되므로, 클래딩 구조의 최적화 중요성은 더욱 강조된다.
상기의 논의는, 할로우 코어 내에 광선-가이던스를 갖는 광섬유의 구현을 위해서는, 클래딩 구조의 경우 두가지 주요 사항이 선결되어야, 즉, 첫번째로 작은 크기를 갖는 한편 큰 공극 충전 분획을 갖는 주기적인 클래딩 구조를 조립해야 한다는 것과, 두번째로 주기적인 클래딩 구조의 형태를 최적화시켜야 한다는 두가지 내용으로 요약될 수 있다.
본 발명자들은 주기적인 클래딩 구조의 형태를 최적화시키기 위한 디자인 루트를 실현하였으며 개선된 클래딩 구조에 대한 디자인 루트를 설명하기 위해, 영역의 연결 (베인)에 의해 연결된 고굴절률 영역 (노드) 개념을 도입하기로 한다. 이 개념을 이용하면, 정삼각형 광자 결정은, 노드가 세개의 인접한 공극들 사이에 있는 영역이고, 2개의 노드를 연결하는 영역들은 베인인 그조로 간주될 수 있다 (즉, 베인은 정삼각형 구조에서 2개의 인접한 공극 사이의 영역이다). 정삼각형 구조의 저굴절률 공극 (9), 노드(10) 및 베인 (11)이 도 9에 도시되어 있다.
주어진 클래딩 구조를 최적화시키기 위해서는, 기본 구조에 부가적인 요소를 도입시킴으로써 밴드갭의 폭과 길이가 갖는 영향력을 분석하는 것이 중요하다. 이하에서 입증되는 바와 같이, 이러한 분석결과는 광자 결정 구조를 최적화시키기 위해 본 발명자들이 취한 디자인-루트를 뒷받침해준다. 45%의 공극 충전 분획을 갖는 삼각 구조를 기초로 삼았다.
구조를 도 10에 도시하였다 (도 2에 제시되어 있는 모달 인덱스 분석은 이 구조에 대한 것이다). 이어서, 도 2에서 최고의 주파수에서 에어 라인과 오버랩되는 밴드갭을 분석함으로써 기본 구조에 대한 이러한 변형이 갖는 영향력에 촛점을 맞추었다. 이 밴드갭은 분석을 위해 선택된 것으로, 이 밴드갭은 최대의 구조 크기에 대해 에어 라인과 오버랩하는 것들 중 하나기 때문에 (4개 중에서), 실제 섬유에서 탐사하기기가 가장 쉬울 것이다.
도 11은 도 10(타잎 A)의 정삼각 구조에 있어서 표준화된 주파수의 함수로서 밴드갭의 상대적인 크기를 도시한 것이다. 상대적인 밴드갭의 크기는 그의 중심 주파수로 나눈 밴드갬의 높은 주파수와 낮은 주파수 사이의 차이로서 정의된다. 도면에서 세 종류의 변형된 삼각 구조는 다음과 같다:
- 타잎 B는 세개의 인접한 공극 (이들의 총 충전 분획은 1%이다) 사이의 정중앙 위치에 도입된 부가적인 작인 틈새 공극 (12)을 갖는 정삼각 구조이다. 이 유형의 구조를 도 12에 도시하였으며, 종래기술의 광자 결정 섬유 분야에서, 세개의 인접한 공기 공극들 사이의 정 중앙에 남아있는채 발견된 작은 틈새 공극들로 알려져 있다. 이들 틈새 공극들은 동일한, 원형 캐필러리 튜브의 밀봉을 포함하는 조립 기술때문에 클래딩 구조에 예기치 않게 도입된 것이다. 틈새 공극들은 그 자신 벌집 구조를 형성한다.
- 타잎 C는 2개의 인접한 공극들 (이들의 총 충전 분획은 1%이다) 사이의 정중앙에 도입된 부가적인 작은 틈새 공극들을 갖는 정삼각 구조이다. 이 유형의 구조는 종래기술에 알려져 있지 않으며 본 발명의 범위에 속한다. 이 구조는 도 13에 도시하였다. 이 구조의 틈새 공극들 (13)은 카고메 구조로 배치되어 있다.
- 타잎 D는 틈새 공극의 총 충전 분획이 5%인 것을 제외하고, 타잎 C와 동일한 구조를 갖는다.
기본 구조 (틈새 공극 없음)에 있어서는, Λ/λ= 2.4에서 약 2.5%의 최대 PBG의 크기가 관찰된다. 이 크기는 세개의 인접 공극들 사이의 정 중앙에 위치한 구조에 틈새 공극들을 첨가함으로써 약 1%씩 감소된다. 이와 대조적으로 2개의 인접한 공극들을 연결하는 선상의 정 중앙 위치에 거의 비슷한 크기를 갖는 틈새 공극을 도입하면 밴드갭의 크기가 훨씬 증가되는 것으로 나타났다. 이 위치에서 틈새 공극의 크기를 증가시키면 PBG 크기를 더 증가시킬 수 있다 (Λ/λ=2.4에서 약 5%까지). 타잎 B와 구조가 유사하나, 총 충전 분획이 5%인 공극을 갖는 구조에 있어서는, 밴드갭이 완전히 닫힌 것으로 발견되었음을 주목해야 한다.
상대적인 밴드갭의 증가와는 별도로, 물론, 에어 라인과 오버랩되는 값에서 밴드갭의 상대적인 크기를 분석하는 것도 매우 중요하다 (이 범위는 할로우 코어 섬유에 있어서 클래딩 구조에 중요하기 때문이다). 도 14에 이러한 분석결과를 제시하였다. 여기에서도 타잎 C와 D가 종래기술에 따른 구조보다 우수한 것으로 나타났다.
도 14에서는 최적화된 구조가 공지의 구조에 비해 더 유리하다는 것이 도 11보다 더 명백하다. 최적화 구조인 타잎 D는 기본 삼각 구조에 비할 때 상대적인 밴드갭 크기가 4배나 더 증가된 것으로 나타났다 (모드 인덱스 값이 1일때 비교함).
비록 본 발명자들은 완전을 기하기 위해, 최고의 Λ/λ-값에 대해 밴드갭 오버래핑에 촛점을 맞췄지만, 타잎 B의 구조에서 4개의 모든 밴드갭이 매우 강하게 억제된 것으로 밝혀졌다는 것에 주목하여야 한다 (또한 오직 하나의 좁은 밴드갭-에어라인과 교차하지 조차 않는-만이 타잎 B의 구조에서 발견되었으나, 틈새 공극의 충전 분획은 5%였다).
상기 결과들은 개선된 클래딩 구조를 고안하기 위해 본 발명자들이 고굴절률 노드 및 베인의 개념을 어떻게 이용하였는지를 설명해준다. 요약하면 디자인 루트는 넓은 밴드갭과 관련해서 광자 결정 구조를 최적화시키기 위해서는, 그 구조가 가장 많이 분리된 노드 (고굴절률 영역)을 가져야 하고, 노드는 고굴절률 소재를 함유하여야 함을 가리킨다. 마지막으로, 당업자라면 잘 인식하는 바와 같이, 노드는 완전히 격리될 필요는 없다 (그 경우 노드가 개별적인 고굴절률 웨이브가이드처럼 작용할 것이다). 이 마지막 요구사항은 2개의 결론, 즉, 첫번째 것으로서, 구조의 전체적인 주기성은 빛의 자유공간 파장과 필적해야 함과, 두번째로, 실제로 공극 충전 분획의 상한선이 존재한다는 결론을 갖는다. 첫번째 결론은 구조의 크기에 또 다른 제약을 부과한다 (가시광선과 근적외선에서 작동하기 위해서는 매우 작은 구조가 요구됨). 이와 대조적으로, 공극 충전 분획의 상한선은 현실적인 모든 섬유와 무관하다. 상한선은 중심과 중심간의 거리와 매우 인접한 직경을 갖는 공급에 대한 것이며, 이러한 크기를 갖는 공극은 실제로 광섬유에 요구되는 작은 크기를갖는 구조에 대해서는 실현불가능하다. 따라서, 실제에있어서, 공극 충전 분획을 크게 유지하면서 가능한 한 노드를 많이 분리시키면 그 섬유에 가장 최적화된 클래딩 구조가 제공된다. 부가적인 (틈새)공극의 중심이 2개의 인접한 일차 공극들의 중심을 연결하는 선 상에 거의 포함되면, 베인은 삼각형 광자 결정 구조 내에서 좁혀질 수 있거나 (따라서 노드를 분리시킨다) 또는, 틈새 공극들이 인접한 세개의 삼각형 공극들 사이의 중앙에 위치하면 고굴절률 중심으로서 작용할 수 있는 노드의 능력이 감소될 수 있으므로, 이들의 위치에 따라 틈새 공극들은 명백히 유리하거나 또는 불리하다. 클래딩 중 삼각형 공극 배치를 갖는 광자 결정 구조에서 발견된 틈새 공극들이 노드의 중심에 정확히 떨어지는지 (그에 따라 고굴절률 중심으로서 작용할 수 있는 그의 능력과 PBG 효과를 나타내는 클래딩 구조의 능력을 심각히 손상시킴)에 주목하여야 한다.
개략된 디자인 루트에 따르면 벌집모양 또는 소위 카고메 구조로 배치된 최대의 공극을 갖는 클래딩 구조가 유리하다. 벌집모양 구조의 장점은 이미 설명된 바 있다 (예컨대 Broegn외, Optics Communications, Vol. 156 94-6), p.240, November 1998 참조). 벌짐형 구조와 카고메 구조는 두가지 모두 삼각형 구조보다 큰 노드와 비교적 좁은 베인을 갖는다. 그러나, 할로우 코어 섬유에서 사용되기 위한 클래딩 구조의 최적화를 위해 달성되어야 하는 두번째 이슈, 즉, 밴드갭이 공기 아래로 확장되어야 한다는 점과 관련해서는, 현실의 벌집구조와 카고메 구조 중 어떠한 것도 이 필수적인 사항을 만족하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 현실의 벌집 구조와 Kogome 구조에 있어서 에어 라인 아래로 확장되느느 것으로 밝혀진 밴드갭이없다는 것은 이들 구조가 유사한 크기의 공극을 갖는 삼각형 구조에 비해 더 낮은 공극 충전 분획을 갖는다는데 기인한다. 본 발명자들은 따라서 공극의 삼각형-유사 배치가 할로우-코어 PBG 섬유에 사용되기에 최적인, 클래딩 구조에 가장 우수한 기본을 형성한다는 것을 깨달았다.
상기 설명된 새로운 조립 기술의 또 다른 장점은 이 기술이 큰 공극 충전 분획을 갖는 광섬유의 제조를 쉽게 해줄 뿐만 아니라, 상술한 개선된 클래딩 구조를 비롯, 진보된 구조들의 다양한 제조를 가능케 함으로써, 할로우 코어에서 빛을 수렴하는 PBG 가이딩 광섬유의 실현에 요구되는 두가지 요구사항을 모두 만족한다는 것이다.
최적화된 클래딩 구조의 바람직한 구체예를 도 15에 도시하였다 (지그를 포함하지 않는 섹션에서의 프리폼의 단면도를 도시한 것임). 프리폼은 캐필러리 튜브 (14)가 Kogome 구조를 갖고, 작은 고체 로드 (15)는 전체적으로 삼각형인 구조 (16) (캐필러리-(14) 및 지그-도입된 공극(17)로부터 형성됨)의 노드에 대응하는 위치에서 벌집 구조로 위치하는, 클래딩 구조를 갖는다. 이 도면은 또한 단일 캐필러리 튜브와 2개의 고체 로드를 생략함으로써 주기적인 구조를 파괴시켜 형성된, 최적화된 섬유의 비대칭적인 코어 영역(18)의 바람직한 일례를 도시한다.
저굴절률을 갖는 섬유의 또 다른 예가 도 3에 도시되어 있다. 본 출원에 개시된 모든 클래딩 구조들은 다양한 코어 영역과 결합될 수 있다. 본 발명에 포함되는 디펙트 (또는 코어) 영역의 또 다른 예를 도 15에 도시하였다. 이 도면은 또한 그의 외계면이 비주기적 구조에 의해 둘러싸여있는 주기적 클래딩 구조의 일례도도시하고 있다. 광자 밴드갭 효과를 나타내는데는 주기적 구조에 있어서 제한된 수의 주기만이 요구되므로, 클래딩의 내부만이 주기적이면 된다. 따라서, 도 16에 도시된 바와 같이, 외부 클래딩은 주기적일 필요가 없다. 이 예에서는 로드 (19)의 고리가 내부 클래딩 주위에 위치하고 있다 (실제 섬유에 있어서는 클래딩 구조가 충분한 광자 밴드갭 효과를 나타내기 위해서는 최소한 2개의 주기가 필요할 것으로 예상됨을 주의하여야 한다). 다른 광범위한 외부 클래딩 구조 (주기적일 필요는 없음)도 고려할 수 있다. 외부 클래딩 구조의 주요 기능은 최종 섬유에 견고함과 안정성을 부여하는 것이다. 이 외부 클래딩에 의해서는 가이드된 빛이 영향을 받지 않기 때문에 균질한 실리카 등과 같은 여러 종류의 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 주기성을 갖는 프리폼의 일부를 통상적으로 오버클래딩하는 방법이 이용될 수 있다.
광섬유의 경우, 이러한 오버클래딩은 꼬아 잇고 쪼개기 쉬은 섬유를 제공할 수 있도록 섬유의 강도를 더욱 증진시킬 수 있다. 오버클래딩된 섬유의 첫번째 측면에서, 표준 섬유 설비가 이용될 수 있도록 외부 섬유 단면을 상상할 수 있다. 그러나, 섬유의 외부 모양이 섬유 일차 축 등의 국소화를 용이하게 해 줄 수 있는 고도의 편극 보전 섬유의 경우 바람직할 수 있는, 사각 또는 육각형의 외부 섬유단면과 같이, 다른 오버클래딩 튜브도 연상될 수 있다.
통상적인 오버클래딩 접근법의 대체방안으로서, PBG 섬유의 강력한 모드 한정은 또 다른 접근방식, 즉, 캐필러리 튜브와 지그를 주기적 클래딩 영역의 바람직한 디자인에 따른 밀봉 배치형태로 번들링 시킴으로써 코어 영역을 둘러싼 섬유를구축하는 방식이 제안될 수 있다. 제 위치에 고정되어야 하는, 이 주기적 영역 외부에서는, 외부 섬유 구조 (외부 클래딩 영역에 대응하는)는 기계적으로 진동될 수 있는, 보다 가는 유리 막대를 패킹함으로써 형성될 수 있는데, 이는, 여기서의 중심 과제는 주기적 구조를 형성하는 것이 아니기 때문이다. 프리폼이 섬유 내로 드로우잉 되면, 외부 클래딩 구조는 (근접한) 고체 외부 클래딩을 형성하기 위해 함께 용융된다. 얇은 유리 로드의 외부 자리잡기에 있어서의 유일한 요구사항은 섬유의 주기적 부분 외부의 불균일한 분포오 인해 표면 장력이 주기성을 심각하게 훼손시키지 말아야 한다는 것이다.
프리폼/섬유의 내부 구조의 일례를 도 17에 도시하였다. 이 예에서는 코어와 클래딩 영역 사이의 바운더리 상에 부가적인 (비-주기적) 캐필러리 튜브 (20)이 놓여있음으로 해서 바운더리 표면을 "매끄럽게" 해주고 있다. 이러한 "매끄럽게 하기"는 표면 조도로 인한, 가능한 산란 손실을 감소시키는데 중요할 수 있다.
커다란 "매끄럽게 된" 코어 영역 (21)의 또 다른 일례가 도 18에 도시되어 있다.
커다란 코어 영역의 또 다른 중요한 예가 도 19에 도시되어 있다. 코어 (22)는 매우 비대칭이며, 이러한 코어 디자인은 따라서, 밴드갭 가이딩 섬유에 있어서 편극 특성을 제어하는데 있어서 매우 중요할 것이다.
새로운 조립법의 유연성의 일례가 도 20에 도시되어 있는데, 여기서는 신규한 클래딩 구조를 형성하는데 있어서, 로드 (24)보다 크기가 큰 캐필러리 튜브 (23)이 이용되었다. 큰 코어 영역 (25)를 만들기 위해서 뿐만 아니라 캐필러리 튜브/로드를 지지하기 위해서, 지그를 이용하여 이 구조를 조립할 수 있다. 도 20의 디자인을 위한 매끄럽게 만들어진 코어 영역 역시 코어 영성을 위한 단일의 더 큰 주기성-파괴 캐필러리 튜브를 이용함으로써 실현될 수 있었다. 이러한 더 큰 캐필러리 코어 튜브(26)의 예를 도 21에 도시하였다.
크기가 다른 캐필러리 튜브들이 사용된, 또 다른 진보적인 구조의 예가 도 22에 도시되어 있다. 커다란 캐필러리 튜브 929)를 지지하기 위해 작은 캐필러리 튜브 (27)과 로드 (28)이 사용되어 있다.
최종 섬유 구조는 프리폼의 구조와 유사하지만, 이들의 구조는 일반적으로 동일하지는 않다. 따라서, 여기에 설명된 이상적인 구조로부터 벗어난 변형이 조립시에 도입될 수 있음을 지적해야 하지만, 섬유의 기본적인 물리적 한계가 보존되는 한, 이러한 구조는 본 발명 범위에 속하는 것이다. 특히, 본 명세서에 제시된 구조의 예는 원형 캐필러리 튜브-도입된 공극에 의해 형성될 필요는 없고, 코어 뿐만 아니라 클래딩의 PBG를 형성하기 위해, 여하한 주기적으로 반복된 단면이 모두 이용될 수 있음을 이해하여야 한다 (예컨대, 삼각, 정방형, 타원형 또는 기타 모앙의 공극이 적용될 수 있음).
새로운 조립 기술을 이용함으로써 얻어질 수 있는, 최종 구조의 일례를 도 23에 도시하였다. 최종 구조의 시뮬레이션을 위한 수치적인 정확성이 한정되어야 하며, 이는 도 23에 도시된 한정된 레절루션을 초래하는 것이다. 따라서 공극과 배경 물질들 사이의 계면은 실제 섬유에서보다 덜 매끄럽게 보인다.
또 다른 최종 구조의 예를 도 24에 도시하였는데, 여기서는, 최초의 원형 캐필러리-도입된 공극 (30)이 비-원형이며, 지그-도입된 공극들은 거의 원형으로 되었다 (31).
또 다른 최종 구조의 예가 도 25에 도시되어 있는데, 여기서는 지그-도입된 공극(32)이 매끄럽게 되었다.
본 발명의 새로운 조립법은 예컨대 공극의 코너-가장자리에 위치될 매우 작은 로드를 허용할 유연성을 가지므로, 도 25에 도시된 바와 같은 최종 구조 역시 일리가 있다. 도 25에 비해, 지그-도입된 공극 (33)은 30O의 각도로 회전하는 것으로 나타난다.
마지막으로 클래딩 구조에 대한 논의로서 본 명세서에 개시된 클래딩 구조들은 멀티-코어 섬유 배열에 적용될 수 있음을 숙지하여야 한다.
광선의 수동적인 가이던스와 별도로, 본 명세서에 개시된 클래딩 구조와 섬유는 여러가지 응용분야에 이용될 수 있다. 도 27은 본 발명 (34)에 따른 섬유 일정 길이, 증폭될 입력 신호 (35), 증폭된 출력 신호 (36) 및 펌프 시그날 (38)을 제공하기 위한 광원 (37)을 포함하는 섬유 증폭기의 일례를 도시하고 있다. 펌프 시그날은 일반적으로 섬유 길이 내로 도입된 도펀트를 펌핑한다.
도 28은 본 발명에 따른 섬유 일정 길이 (39), 출력 신호 (40), 및 펌프 시그날 (42)를 제공하기 위한 광원 (41)을 포함하는 레이저 조사를 제공하기 위한 섬유 레이져의 일례를 도시하고 있다. 섬유 레이져는 추가로 레이저 캐피티 내부를 통과하는 신호를 반사하기 위한 수단 (43)을 추가로 포함한다.
특정물질로 도핑된 섬유 내에 영역들을 도입함으로써, 또는, 섬유 기재와 크게 다른 물질 (예컨대 유리, 또는 폴리머)을 도입함으로써 새로운 기능을 갖는 PCF를 조립할 수 있다. 이러한 부가적인 물질들은 예컨대 희토류 도펀트, 특히 자외선 (UV) 민감성 물질, 또는 심지어 반도체 또는 금속일 수 있다.
조립 기술은 잘 밀봉된, 주기적인 기본 물질 구조 내로 잘 정의된 위치에 도핑된 (또는 상이한) 물질의 얇은 막대를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 다른 한편, 몇몇 캐필러리 튜브들은 도핑된 물질로부터 만들어지거나 또는 프리폼 (또는 그의 일부들)은 기본 물질 로드 및 튜브에 결합하거나 확산될 수 있는 물질의 용액 내에 위치될 수도 있다. 추가적인 적층이나 대체적인 가공을 계속하기 전에 프리폼의 특정 부분을 개별적으로 처리할 수 있으므로, 이러한 접근방식은 고도의 유연성을 부여해준다.

Claims (91)

  1. 세로 방향의 웨이브가이드 구조를 갖고, 다음을 포함하는 광섬유:
    - 세로 방향을 따라 확장된 코어 영역,
    - 세로 방향을 따라 확장된 클래딩 영역, 여기서 상기 클래딩 영역은 각각 웨이브가이드의 세로 방향을 확장된 중심축을 갖는 연장돈 요소들을 포함하는 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조를 가지며, 상기 연장된 요소들의 굴절률은 이 연장된 요소들에 인접한 어떠한 물질의 굴절류보다 낮은 것임,
    상기 주기적 구조는 세로 방향에 수직인 단면에서 적어도 하나의 단위 셀에 의해 정의되고, 상기 각 단위 셀에서:
    - 두개의 이웃한 연장된 요소들의 중심축 사이의 거리는 어떠한 것도 2μm를 초과하지 않고,
    - 주어진 단위 셀 내의 모든 요소들의 모든 면적의 합은 그 유닛 셀의 면적의 0.15배를 초과하지 않는다.
  2. 제 1항에 있어서, 두개의 이웃한 연장된 요소들의 중심축 사이의 거리가 1.9μm 미만, 예컨대 1.8μm 미만, 예컨대 1.6μm 미만, 예컨대 1.4μm 미만, 예컨대 1.2μm 미만, 예컨대 1.0μm 미만, 예컨대 0.8μm 미만, 예컨대 0.6μm 미만인 광섬유.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 주어진 단위 셀에서, 유닛 셀 내의 모든 요소들의 모든 면적의 합이 유닛 셀의 면적의 상수배보다 크고, 상기 상수는 예컨대 0.2보다 크고, 예컨대 0.25보다 크고, 예컨대 0.3보다 크고, 예컨대 0.5보다 크고, 예컨대 0.5보다 크고, 예컨대 0.6보다 크고, 예컨대 0.7보다 크고, 예컨대 0.8보다 큰 것이 특징인 광섬유.
  4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 단위 셀에서:
    - 첫번째 서클은 유닛 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 가지면서 어떠한 연장된 요소들의 어떠한 일부분도 포함하지 않는 가능한 가장 큰 원형 부분으로 정의되고,
    - 상기 연장된 요소들, 이들의 일부의 중심은 첫번째 서클의 중심으로부터 첫번째 서클의 반경의 1.5배 이하, 예컨대 1.2배 이하, 예컨대 1.1배 이하의 거리 내에 위치하고, 3변 이상을 갖는 다각형의 꼭지점을 이루는 것이 특징인 광섬유.
  5. 제 4항에 있어서, 다각형이 정다각형인 광섬유.
  6. 제 4항 또는 5항에 있어서, 다각형이 삼각형, 직사각형, 정방형, 또는 육각형인 광섬유.
  7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심 축을 갖는 부가의 연장된 요소들을 추가로 포함하고, 상기 부가의 연장된 요소들의 굴절률은 이차, 연장된 요소들에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 높으며, 부가의 연장된 요소들 각각은 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 갖고, 이들 각각의 면적은 단위 셀의 면적을 초과하지 않는 것이 특징인 광섬유.
  8. 제 7항에 있어서, 부가의 연장된 요소들의 적어도 일부는 그 단면에서 삼각 구조, 벌집 구조, 또는 카고메 구조를 갖는 것이 특징인 광섬유.
  9. 제 8항에 있어서, 부가의 연장된 요소들은 그의 단면에서 적어도 부분적으로 첫번째 서클 내에 포함되는 것이 특징인 광섬유.
  10. 제 9항에 있어서, 부가의 연장된 요소들의 적어도 일부의 중심들이 그의 단면에서, 첫번째 서클의 중심과 실제로 일치하는 광섬유.
  11. 세로 방향의 웨이브가이드 구조를 가지며, 다음을 포함하는 광섬유:
    - 세로 방향으로 확장된 코어 영역,
    - 세로 방향을 따라 확장된 클래딩 영역, 상기 클래딩 영역은 다음을 포함하는, 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조를 포함한다:
    - 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 일차, 연장된 요소, 이 일차 요소의 굴절률은 일차 요소에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다도 낮음,
    - 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 이차, 연장된 요소로서, 이 이차 요소의 굴절률은 이차 요소에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다도 낮음,
    이 때 여하한 일차 요소의 여하한 부분의 면적이던지 여하한 이차 요소의 여하한 부분보다 넓으며,
    주기적인 구조는 세로 방향에 수직인 단면에서 하나 이상의 단위 셀에 의해 정의되고, 이 때, 각각의 단위 셀에 있어서:
    - 주어진 단위 셀 내에 포함된 이차 요소의 면적의 합은 그 단위 셀의 면적의 0.09배를 초과한다.
  12. 제 11항에 있어서, 여하한 일차 요소의 여하한 부분이던지 여하한 이차 요소의 여하한 부분보다 상수배만큼 크며, 상기 상수는 1.1보다 큰, 예컨대 1.2보다 큰, 예컨대 1.3보다 큰, 예컨대 1.4보다 큰, 예컨대 1.5보다 큰, 예컨대 2보다 큰, 예컨대 5보다 큰, 예컨대 10보다 큰, 예컨대 15보다 큰, 예컨대 20보다 큰, 예컨대 50보다 큰 것인 광섬유.
  13. 제 11항 또는 12항에 있어서, 주어진 단위 셀에 대해, 주어진 단위 셀 내의 이차 요소의 모든 면적의 합이 0.1보다 큰, 예컨대 0.15보다 큰, 예컨대, 0.2보다 큰, 예컨대 0.25보다 큰, 예컨대 0.3보다 큰, 예컨대 0.4보다 큰, 예컨대 0.5보다 큰, 예컨대 0.6보다 큰 것인 광섬유.
  14. 제 11항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서, 각 단위 셀에서:
    - 첫번째 서클은 유닛 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 가지면서 어떠한 일차, 연장된 요소들의 어떠한 일부분도 포함하지 않는 가능한 가장 큰 원형 부분으로 정의되고,
    - 상기 일차, 연장된 요소들, 이들의 일부의 중심은 첫번째 서클의 중심으로부터 첫번째 서클의 반경의 1.5배 이하, 예컨대 1.2배 이하, 예컨대 1.1배 이하의 거리 내에 위치하고, 3변 이상을 갖는 첫번째 다각형의 꼭지점을 이루는 것이 특징인 광섬유.
  15. 제 14항에 있어서, 첫번째 다각형이 정다각형인 광섬유.
  16. 제 11항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서, 일차, 연장된 요소의 적어도 일부가 그 단면에서 정삼각형 구조를 갖는 광섬유.
  17. 제 14항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 2차, 연장된 요소들의 어떠한 중심도 그 단면에서 첫번째 서클의 중심과 일치하지 않는 광섬유.
  18. 제 11항 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서, 이차, 연장된 요소들의 적어도일부의 중심들은 실제로 그 단면에서 두개의 인접한 일차, 연장된 요소들의 중심을 연결하는 선을 따라 위치하는 광섬유.
  19. 제 11항 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서, 부가의 연장된 요소들을 추가로 함유하고,
    - 부가의 연장된 요소들 각각은 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심축을 가지며, 연장된 요소들의 굴절률은 이들 부가의 연장된 요소들에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 높으며, 이들 각각은 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 갖고, 각각의 면적은 단위 셀의 면적을 초과하지 않는 광섬유.
  20. 제 19항에 있어서, 부가의 연장된 요소들의 적어도 일부는 그 단면에서 삼각형 구조, 벌집 구조, 또는 카고메 구조를 갖는 광섬유.
  21. 제 11항 내지 20항 중 어느 한 항에 있어서, 부가의 연장된 요소들이 그 단면에서, 적어도 부분적으로 첫번째 서클 내에 포함되어 있는 광섬유.
  22. 제 21항에 있어서, 부가의 연장된 요소들의 적어도 일부의 중심들이 그 단면에서, 첫번째 서클의 중심과 실제로 일치하는 광섬유.
  23. 제 11항 내지 22항 중 어느 한 항에 있어서, 주어진 단위 셀에서, 주어진 단위 셀 내의 일차 요소들의 모든 면적의 합이 그 단위 셀의 면적보다 상수배만큼 크고, 상기 상수는 0.1 보다 큰, 예컨대 0.15보다 큰, 예컨대, 0.2보다 큰, 예컨대 0.25보다 큰, 예컨대 0.3보다 큰, 예컨대 0.4보다 큰, 예컨대 0.5보다 큰, 예컨대 0.6보다 큰 것, 예컨대 0.7보다 큰, 예컨대 0.8보다 큰 것인 광섬유.
  24. 세로 방향의 웨이브가이드를 갖고, 다음을 포함하는 광섬유:
    - 세로 방향으로 확장된 코어 영역,
    - 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조를 갖고 다음을 포함하는, 세로 방향으로 확장된 클래딩 영역:
    - 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 일차, 연장된 요소, 이 일차 요소의 굴절률은 일차 요소에 인접한 다른 물질의 굴절률보다 낮음,
    - 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심 축을 갖는 이차, 연장된 요소, 이 이차 요소의 굴절률은 이차 요소에 인접한 다른 물질의 굴절률보다 낮음,
    이 때 일차 요소의 어떠한 부분이던지 이차 요소의 어떠한 부분보다 크며, 이 때, 세로 방향에 수직인 단면에서
    - 일차, 연장된 요소가 삼각 구조를 정의하고,
    이 때, 주기적 구조는 그의 단면에서 적어도 하나의 단위 셀에 의해 결정되며, 여기서, 각각의 단위 셀에 있어서:
    - 첫번째 서클은 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 가질 수 있고 일차, 연장된 요소의 어느 부분도 포함하지 않으며,
    - 이차, 연장된 요소들의 중심들은 그의 단면에서 첫번째 서클의 중심과 일치하지 않는다.
  25. 제 24항에 있어서, 여하한 일차 요소의 여하한 부분도 여하한 이차 요소의 여하한 부분보다 상수배 크며, 상기 상수는 1.1을 초과, 예컨대 1.2를 초과, 예컨대 1.3을 초과, 예컨대 1.4를 초과, 예컨대 1.5를 초과, 예컨대 2를 초과, 예컨대 5를 초과, 예컨대 10을 초과, 예컨대 20을 초과, 예컨대 50을 초과, 예컨애 100을 초과, 예컨대 200을 초과, 예컨대 500을 초과하는 광섬유.
  26. 제 24항 또는 제 25항에 있어서, 각 단위 셀에서:
    - 단위 셀 내의 이차 요소의 모든 면적의 합은 단위 셀 면적의 0.005배보다 크며, 예컨대 단위 셀 면적의 0.01배를 초과, 예컨대 0.05배를 초과, 예컨대 0.1배를 초과, 예컨대 0.15배를 초과, 예컨대 0.2배를 초과, 예컨대 0.25배를 초과, 예컨대 0.3배를 초과, 예컨대 0.4배를 초과, 예컨대 0.5배를 초과하는 광섬유.
  27. 제 24항 내지 26항 중 어느 한 항에 있어서, 2차, 연장된 요소들의 적어도 일부가 그 단면에서, 삼각형 구조, 벌집 구조 또는 카고메 구조인 광섬유.
  28. 제 24항 내지 27항 중 어느 한 항에 있어서, 이차, 연장된 요소들의 적어도 일부가 실제로 그 단면에서 그 중심이 두개의 인접한 일차, 연장된 요소들의 중심을 연결하는 선을 따라 위치하는 광섬유.
  29. 제 24항 내지 28항 중 어느 한 항에 있어서, 부가의 연장된 요소들을 추가로 함유하고,
    - 부가의 연장된 요소들 각각은 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심축을 가지며, 연장된 요소들의 굴절률은 이들 부가의 연장된 요소들에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 높으며, 이들 각각은 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 갖고, 각각의 면적은 단위 셀의 면적을 초과하지 않는 광섬유.
  30. 제 29항에 있어서, 부가의 연장된 요소들의 적어도 일부는 그 단면에서 삼각형 구조, 벌집 구조, 또는 카고메 구조를 갖는 광섬유.
  31. 제 29항 내지 30항 중 어느 한 항에 있어서, 부가의 연장된 요소들이 그 단면에서, 적어도 부분적으로 첫번째 서클 내에 포함되어 있는 광섬유.
  32. 제 31항에 있어서, 부가의 연장된 요소들의 적어도 일부의 중심들이 그 단면에서, 첫번째 서클의 중심과 실제로 일치하는 광섬유.
  33. 제 24항 내지 32항 중 어느 한 항에 있어서, 주어진 단위 셀에서, 단위 셀 내의 일차 요소들의 모든 면적의 합이 그 단위 셀의 면적보다 상수배만큼 크고, 상기 상수는 0.1 보다 큰, 예컨대 0.15보다 큰, 예컨대, 0.2보다 큰, 예컨대 0.25보다 큰, 예컨대 0.3보다 큰, 예컨대 0.4보다 큰, 예컨대 0.5보다 큰, 예컨대 0.6보다 큰 것, 예컨대 0.7보다 큰, 예컨대 0.8보다 큰 것인 광섬유.
  34. 연장된 요소에 인접하는 재료들의 굴절률은 1.0을 초과, 예컨대 1.2를 초과, 예컨대 1.3 초과, 예컨대 1.4 초과, 예컨대 1.45 초과, 예컨대 1.5 초과, 예컨대 1.75 초과, 예컨대 2.0 초과, 예컨대 2.5 초과, 예컨대 3.0 초과, 예컨대 3.5 초과, 예컨대 4.0을 초과하는 것인 광섬유.
  35. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 연장된 요소들에 인접하는 물질이 실리카를 기재로 한 물질인 광섬유.
  36. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 연장된 요소들에 인접하는 물질들이 폴리머를 기재로 한 물질인 광섬유.
  37. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 연장된 요소에 인접한 여하한 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 상기 연장된 요소들의 굴절률이 1인 광섬유.
  38. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 연장된 요소에 인접한 여하한 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 상기 연장된 요소들의 적어도 일부가 진공, 액체 또는 가스를 포함하는 것인 광섬유.
  39. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 연장된 요소에 인접한 여하한 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 상기 연장된 요소들의 굴절률이 1.3을 초과, 예컨대 1.4를 초과, 예컨대 1.45를 초과, 예컨대 1.5를 초과, 예컨대 1.75를 초과, 예컨대 2.0을 초과, 예컨대 2.5를 초과, 예컨대 3.0을 초과, 예컨대 3.5를 초과, 예컨대 4.0을 초과하는 광섬유.
  40. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 연장된 요소에 인접한 여하한 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 상기 연장된 요소들이 실리카로 도핑된 광섬유.
  41. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 코어 영역이 섬유의 세로 방향을 확장된 첫번째 부가적인 연장된 요소를 포함하는 광섬유.
  42. 제 41항에 있어서, 코어 영역이 그의 단면에서 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조의 대칭성을 파괴하는 모든 요소들을 포함하는 최소한의 직사각형 영역으로서 정의되고, 상기 최소한의 직사각형 영역은 제 1 주축과 제 2 주축을 정의하며, 상기 제 1 주축과 제 2 주축은 각각 제 1 길이와 제 2 길이를 갖는 것으로서, 제 1 길이는 제 2 길이와 동일한 것인 광섬유.
  43. 제 41항에 있어서, 코어 영역이 그의 단면에서 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조의 대칭성을 파괴하는 모든 요소들을 포함하는 최소한의 직사각형 영역으로서 정의되고, 상기 최소한의 직사각형 영역은 제 1 주축과 제 2 주축을 정의하며, 상기 제 1 주축과 제 2 주축은 각각 제 1 길이와 제 2 길이를 가지며,
    - 제 1 길이는 제 2 길이보다 상수배만큼 크며, 상기 상수는 1.1보다 큰, 예컨대 1.2보다 큰, 예컨대 1.5보다 큰, 예컨대 2보다 큰, 예컨대 5보다 큰, 예컨대 10보다 큰, 예컨대 20보다 큰, 예컨대 30보다 큰, 예컨대 40보다 큰, 예컨대 50보다 큰 것인 광섬유.
  44. 제 41항에 있어서, 첫번째 부가적인 요소가 공극이고, 상기 공극은 그의 단면에서의 단면적이 단위 셀의 단면적의 적어도 0.5배, 예컨대 단위 셀의 단면적의 적어도 1배, 예컨대 적어도 2배, 예컨대 적어도 3배, 예컨대 적어도 4배, 예컨대 적어도 5배, 예컨대 적어도 6배, 예컨대 적어도 7배, 예컨대 적어도 18배, 예컨대 적어도 36배, 예컨대 적어도 72배인 공극인 광섬유.
  45. 제 43항에 있어서, 첫번째 부가적인 요소가 진공, 액체 또는 가스를 지지하기 위해 채택된 것인 광섬유.
  46. 제 44항 또는 45항에 있어서, 부가적인 요소 또는 그에 인접한 여하한 물질이 도펀트 또는 고차수의 광학적 요과를 나타내는 물질인 광섬유.
  47. 제 41항 내지 45항 중 어느 한 항에 있어서, 코어 영역이 두번째 부가적인 연장된 요소를 포함하고, 첫번째 및 두번째 부가적인 요소들은, 하나의 부가적 요소 내부 및/또는 주변을 통과하는 광선이 다른 부가적인 요소들에 커플링될 수 있도록 하는 거리에 위치하는 것인 광섬유.
  48. 제 47항에 있어서, 두번째 부가적인 요소가 공극이고, 상기 공극은 액체 또는 가스를 지지하기 위해 채택된 것인 광섬유.
  49. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유가 복수개의 코어 영역을 포함하는 것인 광섬유.
  50. 제 49항에 있어서, 코어 영역이 주기적 구조 내에 대칭적으로 위치하고, 코어 영역의 주기는 주기적 구조의 주기보다 큰 것인 광섬유.
  51. - 전술한 항 중 어느 한 항에 따른 광섬유 일정 길이, 여기서 코어 영역은 적어도 첫번째 부가적 요소를 포함하고, 상기 첫번째 부가적 요소는 섬유의 세로 방향으로 확장된 공극임,
    - 코어 영역의 공극 내로 액체 또는 가스를 제공하기 위한 수단,
    - 코어 영역 내부로 빛을 도입하기 위한 수단, 여기서 빛은 액체 또는 가스의 특성이 결정될 수 있도록 하는 방식으로 가스 또는 액체와 상호작용하도록 적용됨, 및
    - 섬유로부터 방출된 빛을 검출하고 액체 또는 가스의 특성을 결정하기 위한 수단
    을 포함하여 구성된 액체 또는 가스의 적어도 한가지 특성을 감지 또는 검출하기 위한 센서.
  52. 제 51항에 있어서, 도입 수단이 빛을 첫번째 부가적 요소에 도입하기 위해 채택된 것인 센서.
  53. 제 51항에 있어서, 코어 영역이 섬유의 세로 방향으로 확장된 두번째, 연장된 요소를 포함하고, 여기서 첫번째 및 두번째 부가적 요소들은, 하나의 부가적 요소 내부를 통과하는 빛이 다른 부가적 요소와 커플링될 수 있도록 하는 거리에 위치하고, 상기 도입 수단은 빛을 두번째 부가적 요소 내로 도입할 수 있도록 채택된 센서.
  54. 제 51항 내지 53항 중 어느 한 항에 있어서, 첫번째 부가적 요소의 내부 표면의 적어도 일부가 액체 또는 가스의 특성에 응답하여 변경되도록 채택된 물질층을 포함하고, 상기 도입 수단은 물질의 변경에 응답하는 파장의 빛을 도입하도록 채택된 센서.
  55. - 제 1항 내지 50항 중 어느 한 항에 따른 광섬유 일정 길이, 여기서 코어 영역은 적어도 길이의 일부에 걸쳐 도펀트 물질을 포함함; 및
    - 광신호 증폭을 위해 도펀트 물질을 펌핑하기 위한 도펀트 물질에 펌프 래디에이션을 제공하기 위한 수단
    을 포함하여 구성되는, 광신호를 증폭시키기 위한 섬유 증폭기.
  56. 제 55항에 있어서, 증폭된 광신호를 펌프 신호로부터 공간적으로 분리시키기 위한 수단을 추가로 포함하는 섬유 증폭기.
  57. 제 55항 또는 56항에 있어서, 도펀트가 희토류 이온을 포함하는 섬유 증폭기.
  58. 제 57항에 있어서, 희토류 이온이 에르븀인 섬유 증폭기.
  59. 제 55항 내지 58항 중 어느 한 항에 있어서, 도펀트가 감광성 물질을 포함하는 섬유 증폭기.
  60. 제 69항에 있어서, 감광성 물질이 게르마늄 및/또는 중수소인 섬유 증폭기.
  61. - 제 1항 내지 50항 중 어느 한 항에 따른 광섬유 일정 길이, 여기서 코어 영역은 적어도 길이의 일부에 걸쳐 도펀트 물질을 포함함;
    - 광신호 증폭을 위해 도펀트 물질을 펌핑하기 위한 도펀트 물질에 펌프 래디에이션을 제공하기 위한 수단; 및
    - 광신호를 추가로 증폭시키기 위해 광섬유의 길이를 통해 증폭된 광신호를 반복적으로 통과시키도록, 증폭된 광신호의 적어도 일부를 선택적으로 피드백 시키기 위한 피드백 수단
    을 포함하여 구성된 레이져 래디에이션을 출력시키기 위한 섬유 레이져.
  62. 제 61항에 있어서, 도펀트가 희토류 이온을 포함하는 섬유 레이져.
  63. 제 62항에 있어서, 희토류 이온이 에르븀인 섬유 레이져.
  64. 제 61항 내지 63항 중 어느 한 항에 있어서, 도펀트가 감광성 물질인 섬유 레이져.
  65. 제 64항에 있어서, 감광성 물질이 게르마늄 및/또는 중수소인 섬유 레이져.
  66. 세로 방향의 길이와 그에 수직인 단면을 가지며, 광섬유 제조를 위한 프리폼으로서 다음을 포함하여 구성된 프리폼:
    - 각각 프리폼의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 일차, 연장된 요소들, 여기서 상기 일차 요소들의 세로 방향의 길이는 프리폼의 길이와 기본적으로 동일함;
    - 프리폼의 길이보다 작은 길이에 걸쳐 각각 프리폼의 세로 방향으로 확장되어 있는 삽입된 요소들,
    상기 일차, 확장된 요소들과 삽입된 요소들은 비주기적 구조와 적어도 실질적으로 2차원적인 주기적 구조를 모두 형성하며, 여기서 비주기적 구조는 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조에 의해 둘러싸여 있는 것이고,
    주기적 구조는, 세로 방향에 수직인 단면에서, 적어도 하나의 단위 셀에 의해 정의되고, 각각의 단위 셀에 있어서:
    - 첫번째 서클은 단위 셀의 외부에 위치하지 않은 중심을 갖고 여하한 일차 요소의 여하한 일부분도 포함하지 않는 가능한 가장 큰 원으로서 정의되며, 상기 첫번째 서클의 외주는 삽입된 요소를 정의함.
  67. 제 66항에 있어서, 삽입된 요소들은 적어도 그의 단면이 삼각형 구조인 프리폼.
  68. 제 66항 또는 67항에 있어서, 각각의 단위 셀에 있어서, 상기 일차, 연장된요소들, 그의 일부의 중심들은 첫번째 서클의 중심으로부터 첫번째 서클의 반경의 1.5배 이하, 예컨대 1.2배 이하, 예컨대 1.1배 이하의 거리에 위치하며, 3변 이상을 갖는 첫번째 다각형의 꼭지점들이 되는 프리폼.
  69. 제 68항에 있어서, 첫번째 다각형이 정다각형인 프리폼.
  70. 제 68항 또는 69항에 있어서, 첫번째 다각형이 6개 이상의 변, 예컨대 12개 이상, 예컨대 18개 이상, 예컨대 36개 이상의 변을 갖는 프리폼.
  71. 제 66항 내지 67항 중 어느 한 항에 있어서, 복수개의 삽입된 요소들이 프리폼의 세로 방향으로 확장된 축을 따라 배치되어 있는 프리폼.
  72. 제 66항 내지 71항 중 어느 한 항에 있어서, 일차, 연장된 요소들의 적어도 일부가 그 단면에서 삼각형 구조, 벌집 구조 또는 Kagome 구조를 갖는 것인 프리폼.
  73. 제 66항 내지 72항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 일차, 연장된 요소들의 각각의 외부 표면이 일차 영역을 정의하고, 각각의 삽입된 요소들의 외부 표면은 이차 영역을 정의하며, 여기서 여하한 일차 영역의 면적은 여하한 이차 영역의 면적과 상이한 것인 프리폼.
  74. 제 73항에 있어서, 각 단위 셀에서, 모든 이차 영역의 면적의 합이 단위 셀의 면적의 0.09보다 큰, 예컨대 0.1배보다 큰, 예컨대, 0.15배보다 큰, 예컨대 0.2배보다 큰, 예컨대 0.25배보다 큰, 예컨대 0.3배보다 큰, 예컨대 0.4배보다 큰, 예컨대 0.5배보다 큰, 예컨대 0.6배보다 큰, 예컨대 0.7배보다 큰, 예컨대 0.8배보다 큰 프리폼.
  75. 제 74항에 있어서, 여하한 이 영역의 면적도 여하한 일차 영역의 면적보다 상수배 이상 크며, 상기 상수는 1.1보다 크고, 예컨대 1.2보다 크며, 예컨대 1.3 보다 크고, 예컨대 1.4 보다 크며, 예컨대 1.5보다 크고, 예컨대 2보다 크고, 예컨대 5보다 크며, 예컨대 10보다 크고, 예컨대 15보다 크고, 예컨대 20보다 크며, 예컨대 50보다 큰 것인 프리폼.
  76. 제 66항 내지 75항 중 어느 한 항에 있어서, 일차, 연장된 요소들이 할로우인 프리폼.
  77. 제 66항 내지 76항 중 어느 한 항에 있어서, 삽입된, 연장된 요소들이 고체인 프리폼.
  78. 제 66항 내지 77항 중 어느 한 항에 있어서, 연장된 요소들이 실리카를 기재로 한 물질로 된 프리폼.
  79. 제 66항 내지 78항 중 어느 한 항에 있어서, 연장된 요소들이 폴리머를 기재로 한 물질로 된 프리폼.
  80. 제 66항 내지 79항 중 어느 한 항에 있어서, 각각 프리폼의 세로 방향으로 확장된 중심축을 가지며, 각각 단위 셀 외부에 위치하지 않는 중심을 갖고, 각각의 면적은 단위 셀의 면적을 초과하지 않으며, 각각 프리폼의 길이와 기본적으로 동일한 세로 방향의 길이를 가지며, 각각 일차, 연장된 요소들의 여하한 영역과 상이한 부가적인 영역을 정의하는, 부가의 연장된 요소들을 추가로 포함하는 프리폼.
  81. 제 80항에 있어서, 부가의, 연장된 요소들이 고체인 프리폼.
  82. 제 80항 또는 81항에 있어서, 부가의 연장된 요소들의 적어도 일부가 그 단면에서, 첫번째 서클 내에 적어도 부분적으로 포함된 프리폼.
  83. 제 80항 내지 82항 중 어느 한 항에 있어서, 부가의 연장된 요소들의 적어도 일부의 중심들이 그 단면에서, 첫번째 서클의 중심과 실제로 일치하는 프리폼.
  84. 제 66항 내지 83항 중 어느 한 항에 있어서, 비주기적 구조로서 정의된 코어영역을 추가로 포함하며, 상기 코어 영역은 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조에 의해 둘러싸여 있는 프리폼.
  85. 제 85항에 있어서, 코어 영역이 할로우 영역을 포함하는 프리폼.
  86. 제 66항 내지 85항 중 어느 한 항에 있어서, 코어 영역을 둘러싸고 있는 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조가 적어도 2개의 주기를 포함하는 프리폼.
  87. - 소정의 형상과 그의 내부 표면에 확장된 그루브 (groove)를 갖는, 프리폼을 위한 소정의 홀더 (holder)를 제공하고 (여기서 상기 그루브는 프리폼의 길이와 기본적으로 같은 세로 방향의 길이를 갖는 것임),
    - 각각 프리폼의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 일차, 연장된 요소들을 제공하며 (여기서 상기 일차 요소는 프리폼의 길이와 기본적으로 동일한 세로방향의 길이를 갖는 것임),
    - 각각 프리폼의 길이보다 짧은 길이만큼 세로 방향으로 확장된 2차 요소들을 제공하고,
    - 복수개의 이차 요소들을 프리폼의 세로 방향을 따라 기본적으로 동일한 위치에 위치시키는 단계를 포함하는, 세로 방향의 길이와 그에 수직인 단면을 갖는, 프리폼의 제조방법.
  88. 세로 방향의 웨이브가이드 구조를 가지며 다음을 포함하여 구성되는 광섬유:
    - 세로 방향을 따라 확장된 클래딩 영역, 상기 클래딩 영역은 각각 웨이브가이드의 세로 방향으로 확장된 중심축을 갖는 연장된 요소들을 포함하는 적어도 실질적으로 2차원적으로 주기적인 구조를 포함하고, 상기 연장된 요소들의 굴절률은 이들 연장된 요소들에 인접한 어떠한 물질의 굴절률보다 낮은 것임,
    - 세로 방향을 따라 확장된 코어 영역, 상기 코어 영역은 세로 방향으로 확장된 적어도 하나의 공극을 포함하며, 상기 적어도 하나의 공극의 단면적은 클래딩 영역 내에 포함된 여하한 연장된 요소의 단면적보다 상수배만큼 크며, 상기 상수는 1.1을 초과, 예컨대 1.3을 초과, 예컨대 1.5를 초과, 예컨대 1.7을 초과, 예컨대 2를 초과, 예컨대 3을 초과, 예컨대 5를 초과, 예컨대 10을 초과, 예컨대 20을 초과, 예컨대 50을 초과하는 것임.
  89. 제 88항에 있어서,
    - 직사각형의 중심은 가능한 최소한의 직사각형의 중심으로서 정의되는 것으로, 상기 중심은 코어 영역 외부에 위치하지 않고, 상기 직사각형은 적어도 하나의 공극을 포함하고,
    - 직사각형성(rectangularity) 이라는 것은 직사각형의 최장변의 길이를 직사각형의 최단변의 길이로 나눈 길이로 정의되고,
    - 첫번째 축은 가능한 최장의 꼭지점으로 정의되며, 직사각형의 중심은 상기첫번째 축 상에 위치하고, 여기서 상기 첫번째 축의 각 말단은 적어도 하나의 공극의 하나에 포함되어 있는 것이며,
    - 두번째 축은 첫번째 축에 실질적으로 수직인 축으로 정의되며, 이 두번째 축은 가능한 최장의 꼭지점으로서 정의되고, 직사각형의 중심은 상기 두번째 축 상에 위치하고, 여기서 상기 첫번째 축의 각 말단은 적어도 하나의 공극들 중 하나에 포함된 것이고,
    - 편심성 (eccentricity)은 첫번째 축의 길이를 두번째 축의 길이로 나눈 길이로서 정의되는 광섬유.
  90. 제 88항 또는 89항에 있어서,
    - 직사각형이 정방형이고, 편심성이 1보다 큰, 예컨대 1.1보다 큰, 예컨대 1.3보다 큰, 예컨대 1.5보다 큰, 예컨대 1.7보다 큰, 예컨애 2보다 큰, 예컨대 3보다 큰, 예컨대 5보다 큰, 예컨대 10보다 큰 광섬유.
  91. 제 88항 및 89항에 있어서,
    - 직사각형성이 1보다 큰, 예컨대 1.1보다 큰, 예컨대 1.3보다 큰, 예컨대 1.5보다 큰, 예컨대 1.7보다 큰, 예컨대 2보다 큰, 예컨대 3보다 큰, 예컨대 5보다 큰, 예컨대 10보다 큰 광섬유.
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