KR20010111731A - 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치 - Google Patents

광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치 Download PDF

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Abstract

하나의 측정 장치에 의해 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률를 동시에 효율적으로 측정할 수 있는 측정 장치에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 측정 장치는: 레이저 광원과; 상기 레이저 광원으로부터 나온 광이 광섬유 모재에 원하는 입력 편광으로 입사되도록 상기 광의 편광을 변화시키는 편광기와; 상기 편광기를 거친 광을 상기 광섬유 모재에 집광 상태로 입사시키기 위한 집광수단과; 상기 광섬유 모재의 잔류 응력 또는 굴절률 분포에 따른 통과광의 위상차를 광세기로 변환시키기 위해 상기 광섬유 모재의 다음 단에 위치하는 파장판 및 어낼라이저와; 상기 파장판 및 어낼라이저에 의해 변환된 통과광의 세기를 전기신호로 변환하기 위한 광 감지기와; 상기 광 감지기에서 검출된 통과광의 세기를 부궤환 신호로 이용하여 상기 통과광 세기가 최대 또는 최소를 나타내는 편광각을 알아내기 위한 어낼라이저 각도 조절수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 효율적으로 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률을 측정할 수 있기 때문에 광섬유의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치 {Apparatus for measuring residual stress and refractive index of an optical fiber preform}
본 발명은 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치에 관한 것으로, 특히 하나의 측정 장치에 의해 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률를 동시에 효율적으로 측정할 수 있는 측정 장치에 관한 것이다.
광섬유 제작 시에 광섬유 내부에 존재하는 잔류응력에 의해 광섬유를 통해 전파되는 광에 대한 손실이 발생하게된다. 따라서, 이러한 광섬유 내의 잔류응력의 분포와 그 크기를 정확히 측정하고 최적 조절한다면 광섬유의 품질향상에 기여할 수 있다. 또한 굴절률 분포는 광도파로의 구조를 결정하는 파라미터로서 이를 통해 모재 상태에서 광섬유의 광특성을 파악할 수 있다. 그러므로, 광섬유 모재(optical fiber preform)의 잔류응력(residual stress) 및 굴절률 분포를 정확하게 계측하는 기술이 필요하다.
도 1은 종래기술의 일례에 따른 광섬유 모재 잔류응력 측정장치의 개략적 구성도이다. 도 1을 참조하면, 헬륨-네온 레이저 등의 광원(100)에서 나온 레이저 광이 빔확산기(beam expander; 110)와 실린더형 렌즈(120)를 차례로 거친 후 모재 셀(preform cell; 130)에 입사된다. 모재 셀(130)을 통과한 광은, 집광렌즈(140), 파장판(waveplate; 150) 및 어낼라이저(analyzer; 160)를 차례로 거치면서 광의 세기로 바뀌어 광 감지기(photo detector; 170)에 의해 검출된다. 그런데, 모재 셀(130)을 통과한 광이 모재 셀(130) 내부의 응력 분포에 따른 위상차를 가지게 되므로 감지기(170)에 검출되는 광의 세기를 통해 모재 내의 응력분포를 알 수 있게 된다.
도 2는 종래기술의 다른 예에 따른 광섬유 모재 잔류응력 측정장치의 개략적 구성도이다. 도 2에 있어서, 도 1의 측정장치의 구성요소와 동일한 것에는 동일 참조번호를 붙였다. 도 2를 참조하면, 헬륨-네온 레이저 등의 광원(100)에서 나온 레이저 광이, 빔확산기와 실린더형 렌즈 대신에 레이저광을 펄스형으로 바꾸어주는 초퍼(chopper; 180)와 초퍼(180)를 통과한 레이저 펄스의 편광을 바꾸어 주기 위한 편광기(190)를 거친 후 모재 셀(130)에 입사된다.
도 1 및 2에 대해 설명한 바와 같이, 광섬유 모재의 잔류응력을 측정하기 위해서 1970년대부터 다양한 방법이 연구되었지만 실험실 수준에 머물러 상용화되지 않고 있으며, 연구된 방법을 구현하기 위한 장치의 구조가 비교적 복잡하고 측정에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. 또한 종래기술의 경우, 독립적으로 분리된 계측기에 의해 개별적으로 잔류응력과 굴절률을 측정하였다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 광섬유 모재의 잔류응력 및 굴절률을 한 장비로서 동시에 측정하는 측정 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 종래의 측정장치의 광학적 기계적 구조를 변형된 폴라리스코프를 이용하여 개선하고 자동화하여 측정의 효율성과 정확성이 제고된, 광섬유 모재 잔류응력 및 굴절률 측정 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래기술의 일례에 따른 광섬유 모재 잔류응력 측정장치의 개략적 구성도;
도 2는 종래기술의 다른 예에 따른 광섬유 모재 잔류응력 측정장치의 개략적 구성도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치에 사용하기 위해 변형된 폴라리스코프를 나타낸 구성도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치의 개략적 구성도;
도 5는 도 4의 장치를 이용하여 단일 모드 광섬유를 만들기 위한 모재의 굴절률 분포를 조사한 결과를 나타낸 그래프; 및
도 6은 도 4의 장치를 이용하여 측정된 광섬유 모재의 잔류 응력 분포 그래프이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
100 : 광원 110a, 110b, 110c : 집광렌즈
130 : 광섬유 모재 150a : 1/4 파장판
160a, 160b : 어낼라이저 170 : 광 감지기
190a : 편광기 200 : A/D 변환기
210 : 컨트롤러
220a, 220b : 제1 및 제2 위치 조절 모터
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광섬유 모재 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치는: 레이저 광원과; 상기 레이저 광원으로부터 나온 광이 광섬유 모재에 원하는 입력 편광으로 입사되도록 상기 광의 편광을 변화시키는 편광기와; 상기 편광기를 거친 광을 상기 광섬유 모재에 집광 상태로 입사시키기 위한 집광수단과; 상기 광섬유 모재의 잔류 응력 또는 굴절률 분포에 따른 통과광의 위상차를 광세기로 변환시키기 위해 상기 광섬유 모재의 다음 단에 위치하는 파장판 및 어낼라이저와; 상기 파장판 및 어낼라이저에 의해 변환된 통과광의 세기를 전기신호로 변환하기 위한 광 감지기와; 상기 광 감지기에서 검출된 통과광의 세기를 부궤환 신호로 이용하여 상기 통과광 세기가 최대 또는 최소를 나타내는 편광각을 알아내기 위한 어낼라이저 각도 조절수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 어낼라이저 각도 조절수단은: 상기 광 감지기에서 검출된 통과광의 세기를 부궤환 신호로서 입력받는 A/D 변환기와; 상기 A/D 변환기를 거친 전기신호를 입력받아 상기 광섬유 모재 및 어낼라이저의 위치에 각각 변위를 발생시키는 신호들을 출력하는 컨트롤러와; 상기 컨트롤러의 출력 신호에 의해 각각 구동되는 상기 광섬유 모재 및 어낼라이저 이동용 모터를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 어낼라이저와 광 감지기 사이에 나이프 에지 필터가 더 설치되어 광섬유 모재의 굴절률을 간편하게 측정할 수도 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
투광성 물질로 만들어진 기계 부품 등이 응력을 받은 상태에서 일정 편광의 광으로 관찰할 경우, 응력이 복굴절을 유발하기 때문에 통과광에서 간섭 패턴이 나타난다. 폴라리스코프(polariscope)는 이러한 간섭 패턴으로부터 유리물질 등의 내부 응력을 측정하는 데 주로 사용되는 장비이다.
도 3에 본 발명의 실시예에 따른 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치에 사용하기 위해 변형된 폴라리스코프를 도시하였다. 도 3을 참조하면, 레이저 광원(100)에서 나온 광은 편광기(190a)에 의해 세로축에 45도 편광된 광으로 만들어진다. 이어서, 이 광은 광섬유 모재(130)로 입사되고, 광섬유 모재(130)의 잔류 응력 또는 굴절률 분포에 따라 위상차를 가지게 된 통과광이 1/4 파장판(quarter waveplate; 150a)과, 어낼라이저(160)를 차례로 거치면서 위상차에 대한 정보가 광의 세기로 표현되게 된다. 1/4 파장판(150a)에서 X축은 빠른 축(fast axis)을, Y축은 늦은 축(slow axis)을 각각 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치의 개략적구성도이다. 도 4를 참조하면, 헬륨-네온 등의 레이저 광원(100)에서 나온 광은, 이를 세로축에 대해 45도로 편광된 광으로 바꾸어주기 위한 편광기(190a)와 편광기를 통과한 광을 집광하기 위한 제1 집광렌즈(110a)를 차례로 거친 후, 광섬유 모재(130)에 입사된다. 위치에 따라 서로 다른 잔류 응력 또는 굴절률을 가지는 광섬유 모재(130)를 통과한 통과광은, 응력 또는 굴절률 차이에 기인한 위상차 정보를 가진 채 1/4 파장판(150a), 제1 어낼라이저(160a), 제2 어낼라이저(160b)를 차례로 통과하여 위상차가 광의 세기로 표현된다. 물론, 제1 및 제2 어낼라이저의 사이와, 제2 어낼라이저와 광 감지기 사이에는 각각 제2 및 제3 집광렌즈들(110b, 110c)이 위치한다. 이어서, 광의 세기는 광 감지기(170)에 의해 전기적 신호로 변환된다. 광 감지기(170)로부터의 출력신호는, A/D 변환기(Analog/Digital Converter; 200), 컨트롤러(210)와 제1 및 제2 위치 조절 모터(220a, 220b)로 이루어진 부궤환 시스템(negative system)의 입력신호로서 A/D 변환기(200)에 제공된다. 광 감지기(170)로부터의 출력신호에 기초하여 광섬유 모재(130)와 제1 어낼라이저(160a)는 제1 및 제2 위치 조절 모터(220a, 220b)에 의해 그 위치가 조절되어 가면 최대 또는 최소의 광원 세기를 나타내는 편광각을 찾도록 해준다. 이와 같은 측정장치에서는, 잔류응력을 결정하는 요소가 광의 세기로 표현되기 때문에 외란의 요소로부터 정확한 측정을 수행할 수 있다. 또한, 어낼라이저와 광 감지기 사이에 나이프 에지 필터(knife edge filter)를 삽입하면, 광섬유 내부에 존재하는 굴절률 분포를 동일 장치에 의해 측정할 수 있다. 잔류응력을 측정함에 있어서, 도 4의 제2 어낼라이저(160b)와 제3 집광렌즈(110c)는 생략될 수 있다.
도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치를 이용하여 일반적인 단일 모드용 광섬유 모재의 잔류응력을 측정한 후, 이를 종래기술에 의한 결과와 비교하여 표 1에 나타내었다.
종래기술의 장치 본 발명의 장치
측정시간 240분 이상 120분 미만
측정오차 다양함 1㎛ 미만
도 4의 장치를 이용하여 단일 모드 광섬유를 만들기 위한 모재의 굴절률 분포를 조사한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5를 참조하면, 광섬유 코어에 해당하는 부분은 높은 굴절률을, 클래딩에 해당하는 부분은 낮은 굴절률을 각각 나타내는 것을 알 수 있다.
한편, 도 4의 장치를 이용하여 측정된 광섬유 모재의 잔류 응력 분포를 도 6에 나타내었다.
본 발명에 따르면, 효율적으로 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률을 측정할 수 있기 때문에 광섬유의 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 레이저 광원과;
    상기 레이저 광원으로부터 나온 광이 광섬유 모재에 원하는 입력 편광으로 입사되도록 상기 광의 편광을 변화시키는 편광기와;
    상기 편광기를 거친 광을 상기 광섬유 모재에 집광 상태로 입사시키기 위한 집광수단과;
    상기 광섬유 모재의 잔류 응력 또는 굴절률 분포에 따른 통과광의 위상차를 광세기로 변환시키기 위해 상기 광섬유 모재의 다음 단에 위치하는 파장판 및 어낼라이저와;
    상기 파장판 및 어낼라이저에 의해 변환된 통과광의 세기를 전기신호로 변환하기 위한 광 감지기와;
    상기 광 감지기에서 검출된 통과광의 세기를 부궤환 신호로 이용하여 상기 통과광 세기가 최대 또는 최소를 나타내는 편광각을 알아내기 위한 어낼라이저 각도 조절수단을 구비하는 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 어낼라이저 각도 조절수단이:
    상기 광 감지기에서 검출된 통과광의 세기를 부궤환 신호로서 입력받는 A/D 변환기와;
    상기 A/D 변환기를 거친 전기신호를 입력받아 상기 광섬유 모재 및 어낼라이저의 위치에 각각 변위를 발생시키는 신호들을 출력하는 컨트롤러와;
    상기 컨트롤러의 출력 신호에 의해 각각 구동되는 상기 광섬유 모재 및 어낼라이저 이동용 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 어낼라이저와 광 감지기 사이에 나이프 에지 필터가 더 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 잔류 응력 및 굴절률 측정 장치.
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