KR20030020708A

KR20030020708A - 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형비선형성 측정방법

Info

Publication number: KR20030020708A
Application number: KR1020010054149A
Authority: KR
Inventors: 한원택; 김윤현
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2003-03-10
Also published as: KR100394588B1; US6441893B1; JP3527984B2; JP2003083847A

Abstract

본 발명은 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법에 관한 것이다. 특히, 광섬유의 비선형 광학적 특성을 간단하면서도 정확하게 측정할 수 있는 특성 평가 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 광섬유 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍 사이에 비선형 광섬유(20)를 연결하고 공진형 비선형성을 일으키는 펌핑 광원(30)과 비선형성을 측정하고자 하는 광원(40)을 일측의 제 1장주기 격자(10a) 또는 제 2장주기 격자(10b)를 통해 동시에 넣어 주어, 상기 두 광원(30,40)이 비선형 광섬유(20)을 지나 타측의 제 2장주기 격자(10b) 또는 제 1장주기 격자(10a)를 통과하여 비선형성을 측정하고자 하는 광원(40)을 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍에 의해 형성된 간섭무늬의 변화를 이용하여 스펙트럼 분석기(60)로 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법이 제시된다. 따라서, 본 발명은 저렴하며 측정 구조가 간단하며, 경제적인 방법으로 비선형 광섬유의 공진형 비선형성을 정확하게 측정할 수 있다.

Description

광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법{Measurement method of resonant nonlinearity in the nonlinear optical fiber using a long period fiber grating pair}

본 발명은 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광섬유의 비선형 광학적 특성을 간단하면서도 정확하게 측정할 수 있는 특성 평가 방법에 관한 것이다.

최근 광통신 분야에서는 비선형 광섬유의 공진형 비선형성을 이용한 전광 스위칭 소자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 여기서, 공진형 비선형성이란 광섬유에 첨가된 비선형 재료의 광흡수 대역에 해당하는 펌핑용 광원을 통하여 광통신 대역에서 비선형성을 얻는 것을 말한다. 이 연구에 있어 광섬유의 비선형성에 대한 측정은 기본적으로 수행되어야 한다.

종래에는 비선형 광섬유의 공진형 비선형성을 측정하는 방법으로 다음과 같은 것들이 이용되고 있다.

먼저, 펄스 퍼짐(Pulse broadening)을 이용한 방법이 있다. 이는 아주 좁은주파수 폭을 가진 펄스가 비선형 광섬유를 지나게 되면 그 펄스의 폭이 광섬유의 공진형 비선형성에 의해 변하는 특성을 이용한 것이다. 일반적으로 펄스의 폭은 광섬유의 비선형성에 의해 퍼지기 때문에 펄스 퍼짐이라 불리며, 펄스의 퍼짐 정도로 광섬유의 비선형성을 측정할 수 있다.

그리고 다른 방법으로 펌프-프로브(Pump-probe) 방법이 있다. 이 방법은 넓은 주파수 대역을 스캔할 수 있는 레이저를 광원으로 하여 펌프 광원의 출력 파워에 따른 넓은 주파수 대역의 광흡수 변화를 통해서 광섬유의 비선형성을 측정하는 방법이다. 이 방법은 광섬유뿐만 아니라 일반 재료의 비선형성을 측정하는데 널리 사용된다.

그 밖의 방법으로는 마흐젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)를 이용한 방법이 있다. 이는 광원을 50대 50으로 나누어 한 빔은 공진형 비선형성이 나타나는 광섬유를 통과시키고 나머지 빔은 공진형 비선형성이 나타나지 않는 광섬유와 위상변조기를 통과시키게 한 후 두 빔을 다시 합치면 두 빔들 사이에 위상차가 생기는데 이를 위상변조기로 보상하여 비선형성을 측정하는 방법이다.

상기와 같은 방법들은 광섬유 비선형성 측정에 많이 이용되는 방법들이다. 그러나 상기의 방법들은 다음과 같은 단점을 갖고 있다.

먼저, 펄스 퍼짐을 이용하는 방법은 좁은 주파수 폭을 가진 펄스가 가장 핵심적인 것으로 이런 펄스를 생성하기가 쉽지 않다. 그리고, 펌프-프로브 방법은 넓은 주파수 대역을 스캔할 수 있는 고가의 레이저 광원이 있어야 적용이 가능한 방법이다.

마지막으로, 마흐젠더 간섭계를 이용하는 방법은 기본적으로 두 빔 사이에 간섭현상을 이용하기 때문에 간섭이 일어날 수 있도록 두 광경로에 있는 광부품들을 잘 배열해야 할 뿐 아니라 비교적 고가의 위상변조기가 있어야 한다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 종래의 비선형성을 측정하는 방법의 단점을 해소하며, 보다 저렴하고 손쉽게 비선형 광섬유의 공진형 비선형성을 측정하는 방법을 제안하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은

광섬유 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍 사이에 비선형 광섬유(20)를 연결하고 공진형 비선형성을 일으키는 펌핑 광원(30)과 비선형성을 측정하고자 하는 광원(40)을 일측의 제 1장주기 격자(10a) 또는 제 2장주기 격자(10b)를 통해 동시에 넣어 주어, 상기 두 광원(30,40)이 비선형 광섬유(20)을 지나 타측의 제 2장주기 격자(10b) 또는 제 1장주기 격자(10a)를 통과하여 비선형성을 측정하고자 하는 광원(40)을 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍에 의해 형성된 간섭무늬의 변화를 이용하여 스펙트럼 분석기(60)로 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따라 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정 장치의 구성도이다.

도 2는 도 1에서 비선형 광섬유로가 첨가된 광섬유가 놓였을 때, 980nm의 파장을 갖는 펌핑용 광원의 파워가 변함에 따라 광섬유 장주기격자 쌍에 의해 형성된 1580nm 근방의 간섭무늬가 이동을 나타낸 그래프이다.

도 3은 도 2에서 보이는 간섭무늬에서 소멸 간섭이 일어난 파장들 중 세 파장에 대해 펌프 광원의 파워에 따른 파장의 이동을 나타낸 그래프이다.

도 4는 도 1에서가 첨가된 비선형 광섬유와 비선형 광섬유 대신 상용 단일모드 광섬유나 격자용 광섬유를 넣었을 때 980nm의 펌프 광원의 파워에 따라 나타나는 간섭무늬의 이동으로부터 구한 유효 굴절률 변화 값을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 5는 도 1에서가 첨가된 비선형 광섬유의 980nm의 펌프 파워에 따른 간섭무늬의 이동으로부터 계산된 비선형굴절률 계수(Nonlinear-index coefficient)값을 펌프파워에 따라 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10a,10b : 제 1,2 장주기격자

20 : 비선형 광섬유30 : 펌프광원

40 : 광원60 : 광스펙트럼분석기(OSA)

50a,50b : 제 1,2 파장분할기(WDM)

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서는 광섬유의 코어를 지나가는 빛이 광섬유 장주기격자 쌍을 만나게 되면 첫 번째 장주기격자에 의해 일부는 코어로 진행하고 나머지는 클래딩으로 진행하여 두 번째 장주기격자에 의해 코어와 클래딩으로 진행했던 빛들이 서로 만나서 간섭을 일으키며 코어로 진행하는 특성을 이용하여(B.H. Lee and J. Nishii, “Bending sensitivity of in-series long-period fiber gratings,”Opt. Lett., vol.23, No.20, pp. 1624∼1626, 1998), 광섬유 장주기격자 쌍 사이에 비선형 광섬유를 놓고 광섬유 장주기격자에 영향을 받지 않는 펌핑 광원에 의한 비선형 광섬유의 비선형성(M.J.F. Dig'onnet, R.W. Sadowski, H.J. Shaw, and R.H. Pantell, “Resonantly Enhanced Nonlinearity in Doped Fibers for Low-Power All-Optical Switching: A Review,”Opt. Fiber Technol., vol. 3, pp.44-64,1997)을 간섭 무늬의 변화로 측정하는 것이다.

도 1를 살펴보면, 광섬유 장주기격자의 주기가 동일한 두 개의 제 1,2장주기격자(10a)(10b) 사이에 비선형성을 측정하고자 하는 비선형 광섬유(20)를 용융 광섬유 접착기를 이용하여 연결하고, 격자용 광섬유의 양단에 펌핑 광원(30)과 비선형성을 보고자 하는 파장의 광원(40)을 분리 또는 결합시킬 수 있는 제 1파장분할 기(50a)를 연결하여 입력 단에 펌핑 광원과 비선형성을 보고자 하는 파장의 광원을 넣어 준 후, 비선형성을 보고자 하는 광원이 나오는 출력 단에서 광스펙트럼 분석기(60)를 통해 펌핑 광원(20)에 따른 광섬유 제 1,2장주기격자(10a,10b) 쌍에 의해 형성된 간섭 무늬의 변화에 대한 정보를 얻어 이로부터 광섬유의 비선형성을 구하게 된다.

즉, 광섬유 제 1,2장주기격자(10a,10b) 쌍의 격자 주기의 변화와 원하는 펌핑 광원(30)과 비선형성을 측정하고자 하는 파장을 가진 광원(40)을 분리 또는 결합할 수 있는 제 1,2파장 분할기(50a,50b)를 통하여 비선형 광섬유의 공진형 비선형성을 원하는 파장 영역에서 측정할 수 있게 된다.

이 때,은 비선형성을 측정하고자 하는 파장이고,는 공진형 비선형성을 일으키기 위해 가해주는 펌핑 광원의 파장이다. LD(Laser Diode)는 펌핑용 광원으로 사용되고, 제 1,2파장분할기(Wavelength Division Multiplexer; WDM)(50a,50b)는과의 빔들을 분할하거나 결합해 주는 역할을 한다. 광스펙트럼분석기(Optical Spectrum Analyser; OSA)(60)는 광섬유 장주기격자에 의해 형성된영역의 광스펙트럼을 보여주게 된다. 여기서, 제 1,2장주기격자용(10a,10b) 및 비선형 광섬유(20)는 유리 또는 폴리머 재료로 사용될 수 있다.

구체적으로 펌핑 광원(30)에 의한 비선형 광섬유(20)의 비선형을 측정하는 방법은 다음과 같다.

도 1에서와 같이 광섬유 제 1,2장주기격자(10a,10b) 쌍 사이에 비선형 광섬유(20)을 넣고 펌핑 광원(30)의 세기를 변화시키면 도 2에서와 같은 간섭 무늬의 이동을 광스펙트럼 분석기(60)를 통하여 얻을 수 있는데, 여기서 소멸 간섭이 일어난 부분의 파장()과 이것의 이동 변화()와 간섭무늬의 간격(S), 그리고 비선형 광섬유(20)의 길이(L)을 통하여 아래의 수학식 1을 이용하여 펌핑 광원(30)에 의한 비선형 광섬유(20)의 코어에서의 유효 굴절률 변화()를 얻을 수 있다.(T.J. Ahn, B.-H. Kim, B.H.Lee, Y.Chung, U.-C. Paek, and W.-T.Han, " Measurement of refractive index change upon UV irradiation of optical fiber using a LPG pair, " Optoelectronics and Communications Conference 2000 Technical Digest, 2000, 12P-45)

이 유효 굴절률의 변화는 펌핑 광원(30)에 의해 나타난 비선형성으로 비선형 계수()를 수학식 2을 통하여 구할 수 있다.(G.P. Agrawal, " Nonlinear Fiber Optics, " Academic press, San Diego, 1995)

여기서,는 길이가 L이고 펌핑 광원의 파장에서의 흡수 계수를 갖는 비선형 광섬유(20)의 유효 길이로와 같이 주어진다.

또한,와는 각각 비선형 광섬유(20)에 흡수된 펌핑 파워이고, 비선형 광섬유(20) 코어의 유효 단면적이다. 그리고, b는 펌핑 광원과 비선형성을 측정하고자 하는 파장 광원의 편광 상태에 의존하는 상수로 임의의 편광을 갖는 광섬유에서 2/3의 값을 같고 두광원의 편광이 일치되어 유지되는 광섬유에서는 최대치인 1을 갖는다.

본 발명의 실시예에 있어 광섬유 제 1,2장주기격자(10a,10b) 쌍은 비선형성을 보고자 하는 대역에서는 간섭 무늬를 일으키지만 펌핑 광원(30)의 대역에서는 간섭 무늬를 일으키지 않는 것을 선택한다. 또한, 펌핑 광원(30)의 파장은 비선형 광섬유(20)의 광흡수 대역에 해당하는 것을 선택한다.

예를 들어, 632.8nm의 파장에서 코어와 클래딩의 굴절률 차가 0.01인 격자용 유리 광섬유에 약 10cm의 간격을 두고, 각각 약 2cm에 걸쳐 200㎛의 주기를 가지는 격자를 Amplitude Mask와 UV 레이저(248nm)를 이용하여 새긴 경우 1580nm 근방에서 간섭 무늬가 형성된다.

또한,가 첨가된 비선형 광섬유(20)의 경우 980nm 근방에 광흡수 대역을 갖기 때문에가 첨가된 비선형 광섬유(20)는 펌핑 광원(30)으로 980nm의 LD를 사용하게 된다. 따라서, 도 1에서 제 1,2파장 분할기(50a,50b)는 980nm의 파장과 1580nm의 파장을 분리 또는 결합할 수 있는 것을 사용하게 된다.

한편, 펌핑 광원(30)의 세기에 따른 제 1,2장주기격자(10a,10b) 쌍에 의해 형성된 간섭무늬의 이동을 광스펙트럼 분석기(60)로 보게 되는데, 이 때 광스펙트럼 분석기(60)의 파장 분해능에 의해 측정 결과의 오차가 결정된다. 따라서, 정확한 측정을 위해서는 광스펙트럼 분석기(60)의 분해능을 가장 좋게 한다.

본 발명은 비선형 광섬유의 공진형 비선형성을 측정하는데 적합한 방법으로 비선형 광섬유(20)의 제작 및 이를 이용한 광소자 개발에 이용된다. 또한, 본 발명의 기본적인 원리는 비선형 광섬유(20)의 비선형성을 광섬유 제 1,2장주기격자(10a,10b) 쌍을 이용하여 측정하는 것으로서 상기에서와 같이 비선형 광섬유(20)를 장주기격자가 새겨진 두 광섬유 사이에 놓는 방법 외로 비선형 광섬유(20) 자체에 제 1,2장주기격자(10a,10b) 쌍을 새겨 측정하는 방법을 포함한다.

이어서, 본 발명은 하기 실시예를 들어 상세히 설명하나, 본 발명은 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 >

도 1에서는 비선형 광섬유(20)로가 첨가된 광섬유 16.7cm를 코팅을 제거하고 1580nm에 간섭 무늬를 형성시키는 광섬유 제 1,2장주기격자(10a,10b) 쌍 사이에 용융 접착기로 연결하였다.가 첨가된 광섬유에 대하여 980nm의 펌핑 광원(30)을 0mW에서 22mW까지 변화시키며 1550nm를 중심파장으로 갖는 광대역(Broadband) 광원을 이용하여 1580nm근방에서 형성된 간섭무늬의 이동을 보았다. 이 때, 광스펙트럼 분석기(60)의 분해능은 0.05nm 이었다.

펌핑 광원의 세기에 따른 간섭무늬의 이동 현상은 도 2와 같다. 이 때, 소멸 간섭이 크게 일어난 1580nm 근방의 세 개의 파장들에 대하여 펌핑 광원(30)의 세기에 따른 파장의 이동을 도 3에 나타내었다. 도 4는 이들 세 파장들의 이동 변화를 평균한 결과와 이를 수학식 1에 의해 계산한가 첨가된 광섬유 코어에서의 유효 굴절률 변화를 보여 준다. 또한, 유효 굴절률 변화로부터 수학식 2를 통하여 얻은 비선형굴절률 계수의 결과를 도 5에 나타내었다.

< 비교예 1 >

도 1에서 비선형 광섬유(20) 자리에 공진형 비선형성이 없는 14.8cm의 상용 단일 모드 광섬유를 놓고 다른 조건은 실시예와 동일하게 했을 때, 펌핑 광원(30)의 세기에 따른 1580nm 근방의 세 파장의 이동 변화를 평균한 결과로부터 얻은 유효 굴절률 변화를 도 4에 나타내었다.

< 비교예 2 >

도 1에서 비선형 광섬유(20) 자리에 공진형 비선형성이 없는 13cm의 격자용 광섬유를 놓고 다른 조건은 실시예와 동일하게 했을 때, 펌핑 광원(30)의 세기에 따른 1580nm 근방의 세 파장의 이동 변화를 평균한 결과로부터 얻은 유효 굴절률 변화를 도 4에 나타내었다.

상기 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명이 제안한 방법을 이용하여 비선형성이 큰 광섬유 및 비선형성이 매우 작은 광섬유들에 대하여 공진형 비선형성을 측정해 본 결과, 비선형성이 큰 광섬유에서 펌핑 광원에 따른 광섬유 코어에서의 현저한 비선형성을 보였다.

그러나, 공진형 비선형성이 거의 없는 격자용 광섬유나 상용 단일 모드 광섬유에서는 펌핑 광원에 따른 광섬유 코어에서의 비선형성이 거의 나타나지 않았다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법에 따르면 다음과 같은 이점이 있다.

본 발명은 기존의 마흐젠더 간섭계와 같이 빛의 간섭현상을 이용하지만 빛의 간섭이 광섬유의 장주기 격자 쌍에 의해 손쉽게 일으킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 공진형 비선형성을 측정하기 위해 넣어준 펌핑 빔에 의해 광섬유의 펌핑 빔에 의한 비선형성 이외에 열적 효과에 의해 일어날 수 있는 것들을 줄일 수 있어 비선형 광섬유의 공진형 비선형을 더욱 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, 간단하고 경제적인 방법으로 비선형 광섬유의 공진형 비선형성을 측정할 수 있다.

Claims

광섬유 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍 사이에 비선형 광섬유(20)를 연결하고 공진형 비선형성을 일으키는 펌핑 광원(30)과 비선형성을 측정하고자 하는 광원(40)을 일측의 제 1장주기 격자(10a) 또는 제 2장주기 격자(10b)를 통해 동시에 넣어 주어, 상기 두 광원(30,40)이 비선형 광섬유(20)을 지나 타측의 제 2장주기 격자(10b) 또는 제 1장주기 격자(10a)를 통과하여 비선형성을 측정하고자 하는 광원(40)을 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍에 의해 형성된 간섭무늬의 변화를 이용하여 스펙트럼 분석기(60)로 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍을 격자용 광섬유에 새겨 그 사이에 비선형 광섬유(20)를 연결함과 더불어 상기 비선형 광섬유(20) 자체에 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍을 새겨 비선형성을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 쌍을 이용하여 비선형성을 측정하고자 하는 파장대역은 광섬유 장주기격자와 광섬유의 굴절률 차를 다르게 하거나 격자 주기를 다르게 하여 변화시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제 1,2장주기 격자(10a,10b) 및 비선형 광섬유(20)는 유리 또는 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 장주기격자 쌍을 이용한 비선형 광섬유의 공진형 비선형성 측정방법.