KR20030008674A - 광섬유 편광자 - Google Patents

Abstract

광섬유 편광자에 대해 개시한다. 본 발명의 광섬유 편광자는, 격자 면에 평행한 방향으로 편광된 빔을 제거시켜 이 방향과 수직인 방향으로 편광된 빔만을 투과시킬 수 있도록 광섬유 내에 격자 면이 부루스터 각(Brewster angle)으로 기울어진 적어도 하나 이상의 광섬유격자가 형성되거나, 가압장치에 의해 광섬유의 일정 부위를 부루스터 각(Brewster angle)으로 경사지게 압박함으로써, 형성되는 광섬유격자의 격자 면들의 경사각이 부루스터 각이 되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 기계적으로 편광자가 구현될 수 있기 때문에 제조가 용이하고 제조비용을 감소시킬 수 있으며, 광통신시스템용 소자, 광통신시스템 모니터링, 광센싱 시스템, 편광분석기 및 편광모드 측정시스템 등의 조건에 용이하게 부합하는 광섬유 편광자로서 응용될 수 있는 장점이 있다.

Description

광섬유 편광자{optical fiber polarizer}

본 발명은 광섬유 편광자에 관한 것으로, 특히 부루스터 각으로 기울어진 경사진 광섬유격자를 형성시켜 격자 면에 평행한 방향으로 편광된 빔만을 제거시켜주는 광섬유 편광자에 관한 것이다.

기존의 광섬유 편광자는 광섬유 한측면을 폴리싱하여 코어부분 근처까지 광섬유를 벋겨낸 후에 금속으로 코팅하여 제작한다. 이때 코팅면과 수직으로 편광된 입사빔은 손실이 커서 투과하지 못하게 되는데, 이러한 원리를 이용해서 개발되고 있는 기존의 광섬유 편광자는 제작공정이 다소 복잡하고, 이 때문에 제조가격이 상승할 뿐만 아니라 제작한 뒤에는 편광 축과 편광정도(extinction ratio)를 조절할 수 없는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 부루스터 각으로 기울어진 경사진 광섬유격자를광섬유 자체 내에 형성시키거나, 편광자의 특성을 용이하게 조절할 수 있도록 부루스터 각을 갖는 요철을 광섬유에 압박하여 광섬유격자를 형성시킴으로써 격자면에 평행한 방향으로 편광된 s 편광성분은 반사하고 s 편광빔의 편광방향과 수직으로 편광된 p 편광성분은 전부 투과하는 부루스터 유리층(Brewster window)과 같이 동작하는 광섬유 편광자를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 편광자로 동작하는 부루스터(Brewster) 각으로 격자 면이 기울어진 광섬유격자의 형태를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 부루스터(Brewster) 각으로 격자 면이 기울어진 광섬유격자가 편광자로서 동작하는 원리를 나타낸 동작상태도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예로서, 편광정도가 가변 가능한 광섬유 편광자를 구현하는 방법을 나타낸 도면,

도 4a 내지 도 4c는 광섬유 편광자를 구현하기 위해서 부루스터 각으로 광섬유에 외부로부터 압박을 가하는 요철 접촉면의 형상 및 가압 조건의 응용예를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 광섬유 12 : 격자판

12F : 격자판 앞면(격자면) 12B : 격자판 뒷면(격자면)

20 : 받침판 30 : 압박부재

32 : 요철

F : 외부 힘, 압력, 스트레인

S1, S3 : 격자판 앞면(12F)에서 반사되는 격자면에 평행한 방향으로 편광된 s 편광빔

S2, S4 : 격자판 뒷면(12B)에서 반사되는 격자면에 평행한 방향으로 편광된 s 편광빔

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광섬유 편광자는, 격자 면에 평행한 방향으로 편광된 빔을 제거시켜 이 방향과 수직인 방향으로 편광된 빔만을 투과시킬 수 있도록 광섬유 내에 격자 면이 부루스터 각(Brewster angle)으로 기울어진 적어도 하나 이상의 광섬유격자가 형성된 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 광섬유격자는 광감도가 있는 광섬유에 레이저빔을 일정시간 노출시켜줌으로써 형성된다.

한편, 본 발명의 광섬유 편광자는, 가압장치에 의해 광섬유의 일정 부위를 부루스터 각(Brewster angle)으로 경사지게 압박함으로써, 형성되는 광섬유격자의 격자 면들의 경사각이 부루스터 각이 되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 가압장치는, 상기 광섬유를 고정 지지하는 받침판; 및 상기 받침판에 대향 배치되며, 상기 광섬유에 부르스터 각(Brewster angle)을 갖는 격자를 형성시키기 위해 압박에 따라 광섬유 내에 부루스터 각을 갖는 격자를 형성시키는 요철이 형성된 압박부재로 이루어진다.

여기서, 상기 받침판은 상기 압박부재와 동일하게 형성시켜 상기 압박부재에대칭시켜 광섬유를 압박할 수도 있다. 또한, 상기 광섬유격자를 형성하기 위해서 가압장치를 방사형태로 배치하여 광섬유를 압박할 수도 있다. 그리고, 상기 광섬유격자를 형성하기 위해서 압전재질을 이용하여 전기적으로 광섬유의 일정부위를 주기적으로 압박할 수도 있다.

한편, 상기 광섬유격자의 격자면 간의 간격은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎜ 범위 내에서 선택된 값을 갖는다. 그리고, 상기 경사진 광섬유격자의 경사진 격자면의 부루스터 각이 30° 내지 60° 범위 내의 값을 가진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 편광자로 동작하는 부루스터(Brewster) 각으로 격자 면이 기울어진 광섬유격자를 갖는 광섬유를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에서 제시하는 부루스터 각을 갖는 광섬유격자는 격자주기가 일정한 격자로써, 흔히 자외선 레이저 간섭계 또는 마스크에서 나오는 레이저빔의 패턴을 광감도가 있는 광섬유(10)에 일정시간 동안 노출시켜줌으로써 제작할 수 있다. 이 경우 굴절률 n1은 레이저빔에 노출이 되지 않은 부분의 광섬유(10)의 굴절률이며, n2는 빛에 노출된 부분의 변화된 광섬유(10)의 굴절률을 나타낸다.

상기 광섬유격자에 있어서 굴절률이 n2인 층이 주기마다 반복되는데 이 n2층을 격자판(grating plate, 12)이라고 하고, 격자판(12)이 기울어진 경사각이 부루스터 각에 해당될 때, 이들 광섬유격자는 편광된 빔을 만들기 위해서 다수의부루스터 유리층(Brewster window)을 사용하는 편광자와 같이 동작하며, s 편광성분 및 p 편광성분을 모두 갖는 편광되지 않은 입사빔에 대해 p 편광빔만 광섬유격자를 통과하여 출력되게 된다. 또한 부루스터 각()은 아래와 같이 굴절률 n1 및 n2에 따라서 결정된다.

------------------------ (1)

따라서, n1과 n2가 비슷한 경우에는 45°가 되며, n2 값을 조절하는 경우 부루스터 각도 달라지게 된다. 또는 경사각이 이미 고정되어 있는 경우에는 n2 값을 조절하는 경우 광섬유격자를 투과하는 편광된 빔의 편광정도(소거비, extinction ratio, 즉, p 성분의 크기 대 s 성분의 크기)가 달라지게 된다. 또는 n1과 n2가 고정되어 있는 경우,값으로부터 경사각을 변화시켜주는 경우 편광정도가 달라진다.

도 2는 부루스터(Brewster) 각으로 격자판의 격자 면이 기울어진 광섬유격자가 편광자로서 동작하는 원리를 나타낸 동작상태도이다. 도 2를 참조하면, 우선 첫 번째 격자판에 입사하는 입사빔 중에서 s 성분이 격자판 앞면(12F) 또는 격자면에서 일부 s성분(S1), 그리고 격자판 뒷면(12B)에서 나머지 중에서 일부 s성분(S2)가 반사되어 소거된다. 두 번째 격자판에서도 격자판 앞면과 격자판 뒷면에서 s성분이 소거된다. 마찬가지로, 마지막 격자판에서도 남아있는 s성분이 격자판 앞면과 격자판 뒷면에서 반사(S3, S4)되어 소거된 후, 광섬유 편광자에서 투과되어 나오는 빔은 p 성분만으로된 p 편광빔이 출력된다. 만일 격자의 길이가 길면 길수록, 그리고 굴절률 차(n2-n1)가 크면 클수록 소거비는 커지고 편광자의 성능은 좋아지게 됨을 짐작할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예로서, 편광정도가 가변 가능한 광섬유 편광자를 구현하는 방법을 나타낸 도면이다. 상기한 도 1에서 제시한 바와 같은 격자를 구현하는 방법으로 자외선 레이저빔을 이용하여 격자를 제조하는 방법 이외에도, 도 3a에 도시된 바와 같이 부루스터 각을 갖는 격자를 용이하게 실현하면서 편광정도를 가변시킬 수 있는 방안으로, 광섬유에 대해 압박을 가함으로써 격자를 형성시켜 이를 실현시킬 수 있다. 이를 위해 광섬유(10)를 고정 지지하는 받침판(20)과, 광섬유(10)에 부루스터 각을 갖는 격자를 형성시키기 위해 외부에서 주기적으로 압박을 가할 수 있는 부루스터 각을 갖는 요철(32)을 형성시킨 압박부재(30)를 이용하여 실현시킬 수 있다. 이 때, 상기 압박부재(30)에 형성된 요철(32)에 의해 압박되는 부분은 n2 굴절률을 갖게 된다. 이 때, 상기 압박부재(30)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 광섬유에 대해 수직하게 압박하는 요철(34)에 대해 부루스터 각으로 틀어진 요철(32)을 형성시키고 있다.

물론, 여기서 제시하는 압박방법은 한 실시예에 불과하고, 여러 가지 다른 실시예가 있을 수 있다. 즉, 도 3은 압박부재를 외부의 힘, 압박, 스트레인(F)으로 요철이 광섬유의 일정부위(12)를 압박하게 함으로써 굴절률을 변화시키는 방법이며, 외부의 힘을 가하는 방법은 외부에 나사선을 형성시킨 압착부재와 상기 압착부재를 조일 수 있도록 그 내부에 나사선을 형성시켜 만든 조임부재를 조이는 방법 (특허출원, 2001-25608, 광섬유격자 가변장치), 압박부재나 받침판에 스쿠루 (screw)를 달아서 스쿠루를 돌림에 따라서 요철판과 받침판 사이에 있는 광섬유의 일정 부분이 압박이 가해지게 하는 방법, 압전재질을 이용하여 전기를 압전재질에 가함으로써 광섬유에 일정한 부분에 압박이 가해지게 하는 방법 등이 있을 수 있다.

도 4a 내지 도 4c는 광섬유 편광자를 구현하기 위해서 부루스터 각으로 광섬유에 외부로부터 압박을 가하는 요철 접촉면의 형상 및 가압 조건의 응용예를 나타낸 도면이다. 도 4a와 4b는 광섬유(10)에 대해 부루스터 각을 갖는 요철(32, 32')을 압박하는 형태이다. 도시된 바와 같이, 이 경우 양측 또는 아래와 위(이는 입사빔의 진행방향에 따라 다르게 정의될 수 있음)에 다같이 요철을 형성시킨 압박부재를 사용하여 압박할 수도 있으며, 도 3a에서와 같이 일측에 받침판을 사용하여 압박할 수도 있다. 도 4c는 사방에서 압박하는 한 예를 보여주고 있는데 요철(32")이 형성된 압박부재 4개를 방사형태로 압박하고 있으며, 4개 이상의 압박부재를 사용할 수도 있고, 압전재질로 사방에서 전기적으로 압박할 수도 있다.

본 발명에서 사용하는 격자의 경사각은 대략 45°이며, 격자주기, 즉, 격자판 간의 간격은 자외선 레이저 빔으로 제작하는 경우, 또는 압전재질로 패턴을 만들어 전기로 압박하는 경우는 0.1㎛ 내지 1㎜ 정도되며, 요철판으로 압박하는 경우에는 대략 0.1㎜ 내지 10㎜ 범위내가 된다. 또한, 광섬유격자 내부에 있는 각각의 격자판에서 반사가 되는 입사면에 수직인 s 성분의 크기는 후레즈넬의 반사법칙(Fresnel Reflection law)에 따른다. 격자판의 수가 많도록 격자의 길이를 길게 하면 입사면에 평행한 p 성분만이 전부 광섬유격자로된 본 발명인 광섬유 편광자를 전부 투과하게 된다.

본 발명은 광섬유 축을 회전시킴으로써 광섬유 편광자의 통과 축 (transmission axis)을 임의로 회전시킬 수 있으며, 압박을 하여 구현하는 경우 격자판에서의 s성분의 반사량이 압박정도에 따라서 달라지기 때문에 소거비도 임으로 조절할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 편광자는, 제작이 용이하고, 제작한 뒤에도 편광자의 특성을 쉽게 조절할 수 있다는 장점을 갖고 있어서, 광통신 시스템이나 광측정 시스템에서 기존의 편광자를 대신 사용할 수 있다. 또한, 기계적으로 편광자가 구현될 수 있기 때문에 어떠한 광섬유로도 광섬유 편광자가 가능하다는 융통성도 있다. 이를 바탕으로 광통신시스템용 소자, 광통신시스템 모니터링, 광센싱 시스템, 편광분석기, 및 편광모드 측정시스템 등에 응용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims (10)

1. 격자 면에 평행한 방향으로 편광된 빔을 제거시켜 이 방향과 수직인 방향으로 편광된 빔을 투과시킬 수 있도록 광섬유 내에 격자 면이 부루스터 각(Brewster angle)으로 기울어진 적어도 하나 이상의 광섬유격자가 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유격자는 광감도가 있는 광섬유에 레이저빔을 일정시간 노출시켜줌으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
3. 가압장치에 의해 광섬유의 일정 부위를 부루스터 각(Brewster angle)으로 경사지게 압박함으로써, 형성되는 광섬유격자의 격자 면들의 경사각이 부루스터 각이 되는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 가압장치는,

   상기 광섬유를 고정 지지하는 받침판; 및

   상기 받침판에 대향 배치되며, 상기 광섬유에 부르스터 각(Brewster angle)을 갖는 격자를 형성시키기 위해 가변되는 압박에 따라 광섬유 내에 부루스터 각을 갖는 격자를 형성시키는 요철이 형성된 압박부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 받침판은 상기 압박부재와 동일하게 형성시켜 상기 압박부재에 대칭시켜 광섬유를 압박하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 광섬유격자를 형성하기 위해서 가압장치를 방사형태로 배치하여 광섬유를 압박하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 광섬유격자를 형성하기 위해서 압전재질을 이용하여 전기적으로 광섬유의 일정부위를 주기적으로 압박하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 광섬유격자의 격자면 간의 간격은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎜ 범위 내에서 선택된 값을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 경사진 광섬유격자의 경사진 격자면의 부루스터 각이 30° 내지 60° 범위 내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 경사진 광섬유격자의 경사진 격자면의 부루스터 각이 45°인 것을 특징으로 하는 광섬유 편광자.