KR20030026264A - 코아가 확장된 광섬유를 사용하여 무족화시킨 광섬유격자와 그 제조기술 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사이드로브를 제거한 무족화된 광섬유 격자 소자와 제작 기술에 관한 것임. 본 발명은 광섬유의 코아 변형 현상을 이용하여 레이저 빔 형태를 아무 변형 없이 용이하게 광섬유 격자의 무족화(apodization)를 실현할 수 있는 광섬유 격자 소자를 제작하는데 목적이 있다. 본 발명은, 광섬유의 코아를 확장시키기 위하여 광섬유에 열을 가하는 제 1 단계와 위상 마스크를 통하여 레이저빔을 조사하는 제 2 단계를 포함한다. 본 발명은 분산 특성 및 크로스토크를 줄일 수 있는 무족화된 광섬유 격자를 제조하는데 이용됨.

Description

코아가 확장된 광섬유를 사용하여 무족화시킨 광섬유 격자와 그 제조기술{Using a extended core, optical fiber grating apodization and the making skill}

본 발명은 광통신과 광센서 등에 이용되는 광섬유 격자의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 광섬유의 코아 확산이라는 기술을 사용하여, 광섬유의 구조 형태의 변형을 이용하여 분광 특성(optical spectrum)을 개선하기 위한 광섬유 격자와 그 제조 방법에 관한 것이다.

도 1 처럼 일반적으로, 광섬유(1) 격자(2)는 광섬유의 코어(3)를 진행하는 빛의 성분 중에서 특정한 파장의 빛에 대하여 영향을 주는 광소자의 일종이다.

즉, 광섬유를 진행하는 빛 중에서 특정 파장의 빛에 대해서만 거울과 같이 반사시키는 기능을 하고 다른 파장의 빛에 대해서는 영향을 주지 않는다.

또한, 광섬유 격자(2)는 특정 파장의 빛에 영향을 미치는 고유의 특성으로 인하여 파장분할다중 방식을 이용한 다파장 광통신(Wavelength division multiplexing optical communications)에서의 파장 선택형 필터, 좁은 선폭의 광섬유 레이저, 파장 첨가-추출 멀티플렉서(optical add-drop multiplexers), 파장 안정화 필터 등 다양한 통신 분야에서 많은 이용이 기대되고 있다.

도 1a는 일반적인 광섬유 격자의 동작 특성을 나타내는 예시도이고 도 1b는 일반적인 광섬유 격자의 동작 원리를 나타내는 개념 예시도이다.

상기 설명한 것은 일반적인 광섬유 격자에 대하여 설명하였다. 이제 무족화가 필요한 이유에 대하여 설명하도록 한다.

다파장 이용 광통신은 0.2∼1.6nm의 좁은 파장 간격으로 8채널, 16채널 또는 그 이상의 많은 채널에 서로 다른 파장의 빛을 이용하여 신호 전송에 이용한다. 이와 같은, WDM(파장 분할 다중화) 광전송 시스템에서 광소자들은 정해진 채널 파장의 빛 이외의 인접 채널 파장의 빛에 영향을 미치면 안된다.

일반적인, 광섬유 격자가 영향을 미치는 파장의 범위(즉, FWHM(반치 대역폭:Bandwidth))는 대체로 약 0.2nm 정도이지만 주된 반사 파장 영역 이외의 파장 부분에서도 광섬유 격자에 의한 반사가 존재할 수 있다. 이러한, 원하지 않는 파장 영역에서의 반사를 사이드로브(sidelobe)라고 한다.

파장분할다중 방식의 광통신에서 인접 파장 채널의 광신호에 영향을 미치는사이드로브의 반사특성은 광신호 전송 효율을 떨어뜨리는 악영향을 미치며 또한 이를 크로스토크의 영향이라고도 한다.

광섬유 격자의 반사 특성(refraction spectrum)에서 사이드로브를 제거하는 방법을 무족화(apodization)또는 절족화라 하나 여기에서는 무족화라고 지칭한다. 이 무족화는 광섬유 격자를 효과적으로 이용하기 위해 매우 중요한 과정이라 할 수 있으며, 광전송 장비의 성능에 중요한 역할을 한다.

무족화 처리없이 제작된 광학 특성은 도 2에 나타내었다. 도 2는 같이 균일한 굴절율 변조량을 가지는 광섬유 격자(2)의 굴절율 변조 형태와 그에 해당하는 광 스팩트럼을 나타내는 특성 예시도이다. 무족화 처리 기술없이 광섬유 격자(2)를 제작하면 상기 설명하였던 사이드로브(도 2의 가)가 많이 발생된다. 따라서 무족화는 사이드로브(도 2의 가)를 제거하는 방법이라고 할 수 있다.

도 2에서 처럼 굴절율 변조 패턴이 일정한 형태를 가지는 광섬유 격자의 스팩트럼은 중심 반사 파장의 양쪽으로 크고 많은 사이드로브를 가진다. 다시 말하면 스팩트럼의 양쪽 부분과 같은 원하지 않는 부가적인 반사가 존재하는 형태를 나타낸다. 이러한 사이드로브를 제거하려면 다른 특수 처리를 해야하며 그 설명은 도 3을 통해 알 수 있다.

도 3는 무족화(apodization)를 위해 제작된 굴절율 변조량을 가지는 광섬유 격자의 굴절율 변조 형태와 그에 해당하는 광 스팩트럼을 나타내는 특성 예시도이다. 도 3는 무족화(apodization)를 위해 조정된 굴절율 변조량을 가지는 일반적인 광섬유 격자의 굴절율 변조 형태와 그에 해당하는 광 스팩트럼을 나타내는 특성 예시도로서, 주반사 피크 양쪽의 작은 피크들(사이드로브)이 제거되었다. 이러한 기술은 무족화라 하며, 본 발명은 이러한 사이드로브(도 2의 가)를 줄이는 즉, 무족화 시키는 기술에 관한것이다.

이제 기존의 무족화 시키는 방법에 대하여 설명하도록 한다.

도 4는 기존의 방법의, 그 한 예로서 광섬유 격자의 사이드로브르 제거하기 위한 제작 과정 예시도이다.

일반적으로 많이 사용되는 기술로, 작은 레이저 빔의 점을 광섬유의 위치에 따라 조사 시간을 변화시키면서 조사해주는 방법이다. 광섬유에서의 굴절율 변화량은 조사한 자외선 파장 레이저 빛 에너지의 양에 비례한다. 따라서, 광섬유 격자에서 무족화를 달성하려면 광섬유 격자의 위치에 따라 평균 굴절율은 일정하게 유지시키면서 굴절율 변조량은 연속적으로 변화시킬 수 있는 방법이다

이제 실제 실시 예을 들어 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 굴절율 변조 패턴이 평균 굴절율 변화량은 일정하면서 변조 크기가 광섬유 격자의 길이 방향으로의 위치에 따라 일정한 패턴으로 작았다가 커지고 다시 작아지는 형태(도 3의 윗그림 참조 ; 눈모양의 형태임)를 가지면 광섬유 격자의 스팩트럼에서 사이드로브(도 2의 가) 특성이 제거된다. 사이드로브 특성이 제거 되면 인접파장간의 크로스토크 성능도 자연적으로 개선되는 것이다.

도 4를 참조하면, 크립톤 플로라이드 엑시머 레이저(4)에서 나온 자외선 빛은 반사경(5)에서 반사된 다음 집광 렌즈(6)를 통과한다. 반사경(5)은 좌우로 이동하면서 레이저 빔의 조사 위치를 좌우로 이동시킬 수 있도록 제작 한다. 집광 렌즈(6)를 통해 모아진 빛은 슬릿(7)을 거쳐 정해진 순서대로 통과한 후 위상 마스크(8)를 통과하면서 ㎛단위의 무족화된 굴절율 패턴으로 변조된다.

이런 형태의 빛이 광섬유(1)의 코어를 비추면 빛의 세기가 센 곳에 놓여진 광섬유의 코어 부분은 굴절율이 상승하게 되어, 결과적으로 주기적으로 굴절율의 높낮이가 반복되는 형태가 광섬유의 코어에 실현되어 광섬유 격자(2)가 제작된다. 따라서 도 3의 윗그림 형태의 모양을 얻을 수 있다.

이 방법을 사용한 무족화된 광섬유 격자 제조 방법을 이용하여 제작할 경우, 광섬유 격자의 무족화를 실현하기 위해 광섬유 격자 스팩트럼의 특성을 조절하는데 효율적이지 못하고 제작에 많은 시간이 소요되므로 문제점이 있었다.

하나의 방법으로 도 5와 같이 감쇠렌즈(9)를 사용하는 방법이다. 이 방법은 엑시머 레이저(4)에서 광원이 (도 5의 나)처럼 나오면, 도 5와 같이 감쇠렌즈를 사용하여 (도 5의 다)와 같은 광원의 세기를 만들어 놓은 다음에 광섬유 격자가 제작될 부분에 인가한다. 인가된 광원이 도 3과 같이 굴절율 변조를 만들어 사이드로브(도 5의 가)를 제거하여주는 효과를 나타낸다.

그러나, 도 5 처럼 감쇠렌즈를 사용하는 방법은 다양한 조건의 제품 제작에 비용이 많이 소요되는 단점과, 여러 필터를 다양하게 제작이 어려운 단점들이 있다. 특히, 광섬유 격자가 시스팀의 성능을 개선시키려는 제작자의 의도에 맞는 스펙트럼 특성을 갖기 위해서는 다양하게 무족화(apodization)가 매우 필요하다. 그러나 상기 방법은 감쇠렌즈가 다양하게 있어야, 다양한 특성을 나타내는 광섬유 격자를 제작 시킬 수 있으므로 이 조건을 만족하기 위해서는 비용이 많이 소모된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광섬유 격자의 제작을 위해 사용하고 있는 레이저 빔의 고유한 형태를 아무 변형 없이 단지 광섬유(1)의 코아(3)를 변형시켜, 광섬유 격자의 무족화를 실현 할 수 있고, 또한 분광 특성 및 크로스토크를 줄일 수 있는 사이드로브 파장의 반사가 현저하게 줄어 광전송 시스팀의 성능을 개선할 수 있는 광섬유 격자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 일반적인 광섬유 격자의 동작 특성을 나타내는 예시도.

도 1b는 일반적인 광섬유 격자의 동작 원리를 나타내는 개념 예시도.

도 2는 균일한 굴절율 변조량을 가지는 광섬유 격자의 굴절율 변조 형태와 그에 해당하는 광 스팩트럼을 나타내는 특성 예시도.

도 3은 무족화(apodization)를 위해 제작된 굴절율 변조량을 가지는 광섬유 격자의 굴절율 변조 형태와 그에 해당하는 광 스팩트럼을 나타내는 특성 예시도.

도 4는 기존의 광원에 세기를 반사경의 이동 방법을 사용한 무족화된 격자의 제작 과정도

도 5는 감쇠 필터를 사용한 무족화된 광섬유 격자 제작 방법에 대한 개념 예시도.

도 6은 본 발명에 따른 무족화 광섬유 격자를 제조할 목적으로 제작된 광코아의 확장의 개념예시도

도 7은 본 발명에 따른 분광 특성 및 크로스토크 개선을 위하여 코아확산된 광섬유로 격자의 제조 방법에 대한 과정을 나타내는 일실시 예시도.

도 8 a는 일반 광섬유 격자의 광학적 특성, b는 본 발명을 통하여 얻어낸 사이드로브를 제거한 광섬유 격자의 광학적 특성, c는 일반 광섬유 격자의 반사 대역폭, d는 본 발명을 제작된 광섬유 격자의 광역 대역폭 특성

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 광섬유 2: 격자 3: 광코아

4: 엑시머 레이저 5: 반사경 6: 집광 렌즈

7: 슬릿(slit) 8: 위상 마스크 9: 감쇠렌즈

10: 열원

가. 사이드로브 나. 엑시머에서 나온 레이저 빔

다. 감쇠렌즈를 통해 감쇠된 레이저빔 라. 광코아가 확산된 지역

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무족화된 광섬유 격자의 제조 방법에 있어서, 크게 2단계로 진행된다. 제 1 단계 ; 광섬유에 열을 인가하여 코아의 변형을 가지고 온다. 제 2 단계 ; 마스크를 설치하고 위상 마스크를 레이저 빔이 조사하는 단계이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 6에서 처럼, 일반 통신용 광섬유 보다 게르마늄(Ge)이, 광섬유 코어(2) 부분에, 더 많이 첨가된 특수 광섬유(1)에 도 6의 b 처럼 외부에서 열(10)을 가하게 되면 도 6의 c 처럼 코아내의 게르마늄이 코아 외부로 확산하는 특성이 있다.이에 따라 빛이 진행하는 코아의 크기도 확장하게 된다.

이러한, 특성을 이용하여 광섬유 코어(2)를 변형하게 되면 게르마늄에 확산에 따라서 굴절율과 광코아의 넓이를 조절할 수 있게 된다. 여기에다가 도 6의 (c)에서와 같이 굴절율과 코아의 구조가 변화된 광섬유 부분을, 도 7에서 처럼, 에시머 레이저(4)를 조사하고 위상마스크(8) 통하여 격자(2)가 형성된다. 이때 굴절율의 변화와 광코아가 넓어진 부분이 사이드로브를 제거하여 주는 효과를 나타낸 다. 이 원리는 광코아의 형상을 도 6의 c 처럼 눈모양으로 제작하게 함으로서 가능하다. 이러한 기술을 이용하면 광섬유 코아 형성시, 도 6의 b처럼 시간이나 온도 조절로 광 코아의 형태를 다양하게 제작 할 수 있다. 이러한 코아 컨트롤 방법으로 도 8의 a 처럼 발생하는 사이드로브를 b 처럼 제거할 수 있으며 , 필터 제작시 도 8의 c 처럼 일반 광섬유 격자 필터의 폭(x폭)이 좁은 필터를 d 처럼 넓게(y폭) 조절 할 수 있다. 또한 분산 특성을 개선 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 광섬유 코아의 변형을 만들고 일반 광섬유 격자를 제조한 위상 마스크를 사용하여 매우 간단하고 용이하게 무족화를 실현할 수 있어 별도의 장치를 사용하지 않아도 되어 비용을 절감할 수 있고, 또한 레이저 빔의 고유한 에너지 분포 형태를 무족화 실현에 적절히 이용함으로써 효과적으로 무족화를 실현할 수 있다. 또한 광섬유를 이용한 광신호의 전송에서 광 펄스의 퍼짐 현상(Dispersion effect)으로 인한 전송 용량의 제한을 극복하기 위한분산 보상(Dispersion compensation)을 하기 위해 광섬유 격자를 이용할 수 있다.

Claims (2)

1. 광섬유 격자의 제조 방법에 있어서, 광섬유의 코아를 열을 인가하여 확장 시키고 ,확장된 광섬유에 광섬유 격자를 형성시키는 것을 특징으로 하여 분광 특성 및 크로스토크 특성 개선을 위하여 사이드로브 제거할 목적으로 제작된 광섬유 격자와 코아가 확장된 광섬유 격자를 제조하는 기술.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방법을 적용하여 반사대역폭을 넓게 제조된 광섬유격자.