KR20030089676A

KR20030089676A - 인라인 가변 광감쇠기

Info

Publication number: KR20030089676A
Application number: KR1020030077499A
Authority: KR
Inventors: 김광택; 정숭현
Original assignee: 김광택; 정숭현
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2003-11-22

Abstract

본 발명은 인라인 가변 광감쇠기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 클래드의 일부분을 코어와 인접되게 연마시킨 광섬유와 접촉되어 소산장 결합되는 상기 광섬유 클래드와 동일한 굴절율의 정합유전체 사이에서 광손실을 유도시키는 구조로서, 구조가 간단하여 제작 원가가 저렴할 뿐만 아니라 높은 신뢰성과 해상도 및 작은 삽입손실과 낮은 편광 및 파장의존성 손실과 넓은 이격거리를 가질 수 있는 인라인 가변 광감쇠기에 관한 것이다.

본 발명에 의한 인라인 가변 광감쇠기는 일정한 광신호를 입력받아 가변적으로 광신호를 감쇠시켜 출력하는 가변 광감쇠기에 있어서, 일정 길이로 클래드가 연마된 단일모드 광섬유가 일정한 곡율로 고정되는 측면연마 광섬유블럭과, 상기 클래드와 동일한 굴절율을 갖는 전전반사영역과 상기 단일모드 광섬유의 코어와 유사한 굴절율을 갖는 손실영역으로 구성되어 상기 클래드가 연마된 단일모드 광섬유와 인접되고 이동수단에 의해 상기 단일모드 광섬유의 길이방향으로 이동되는 정합유전체 이동블럭을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

인라인 가변 광감쇠기{IN-LINE FIBER-OPTIC TUNNABLE ATTENUATOR}

본 발명은 인라인 가변 광감쇠기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 클래드의 일부분을 코어와 인접되게 연마시킨 광섬유와 접촉되어 소산장 결합되는 상기 광섬유 코어와 유사한 굴절율의 정합유전체 사이에서 광손실을 유도시키는 구조로서, 구조가 간단하여 제작 원가가 저렴할 뿐만 아니라 높은 신뢰성과 해상도 및 작은 삽입손실과 낮은 편광 및 파장의존성을 갖는 인라인 가변 광감쇠기에 관한 것이다.

광감쇠기는 입력된 광신호의 세기를 감쇠시켜 출력하는 광통신 부품의 일정으로, 광통신 시스템과 광통신 소자의 광세기 특성 분석에서부터 파장분할다중화 시스템의 교차접속에 이르기까지 다양한 용도로 활용된다. 상기 광감쇠기는 감쇠량의 조절여부에 따라 감쇠량이 고정된 고정 광감쇠기와 감쇠량을 조절할 수 있는 가변 광감쇠기가 있다.

상기 가변 광감쇠기는 광증폭기, 광연산기(add-drop), 먹스/디먹스(multiplexers/de-multiplexers), 광송수신기등의 부품을 포함하는 광통신 시스템에서 광신호의 입력 및 출력 광신호 레벨을 적절하게 제어하기 위해 요구되는 중요한 소자이다. 상기 가변 광감쇠기는 평면 기판에 형성된 도파로의 열광학효과나, 전기광학효과를 이용하는 기법과, MEMS(Micro Electronic Mechanical System)에 기초한 방법이 있다. 또한 두개의 측면 연마된 광섬유를 결합시키고 광섬유의 두 코어간의 간격을 조절하여 광의 분배 비율을 조정하는 장치가 있다.

그러나, 이러한 구조의 가변 광감쇠기는 광의 분배비율이 간격에 매우 민감하여 두 광섬유 코어 사이의 간격이 수 마이크로메타 이상 벗어나면 결합이 발생하지 않는다. 이러한 이유로 광 감쇠량을 매우 정밀하게 조절하기 힘든 문제점이 있다.

또한, 측면 연마된 광섬유를 이용한 또 다른 가변 감쇠기는 측면 연마된 광섬유 위에 폴리머를 코팅하여 폴리머의 열광학 효과를 이용하는 방법이 있다. 폴리머는 열에 의해 쉽게 굴절율이 변하는 성질을 이용하여 광 감쇠량을 제어할 수 있다. 또한 특허 제2000-53198호(발명의 명칭:가변 광감쇠기)와, 특허 제2002-10379호(발명의 명칭:가변 광감쇠기)에서는 입출력되는 광신호를 가변적으로 틸트시키거나 차단시키는 반사체 또는 차단막과 이를 구동시키는 액추에이터가 구비된 가변 광감쇠기를 게시하고 있으나, 상기 가변 광감쇠기는 광 감쇠를 조절할수 있는 굴절율의 범위가 매우 좁다는 문제점이 있다. 또한, 상기 MEMS기술로 제작된 가변 광감쇠기는 광섬유 중간에 액추에이터를 넣거나 광섬유를 정렬하기 위해서는 복잡한 정렬공정이 추가적으로 요구되며, 도파로와 광섬유 사이의 불완전한 정렬, 프레넬반사, 모드 부정합등으로 광학적손실이 발생되는 문제점이 있다.

한편, 어떠한 형태의 가변 광감쇠기 일지라도 높은 신뢰성, 높은 해상도, 작은 삽입손실, 낮은 편광 및 파장의존성 손실등이 요구되어 진다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하고, 상기 높은 신뢰성과 높은 해상도 및 작은 삽인손실과 낮은 편광의존손실 및 낮은 파장의존손실을 실현하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 일부분의 클래드를 측면 연마한 단일모드 광섬유와, 연마된 상기 단일모드 광섬유의 상부면에 굴절율 정합유전체를 가변되게 인접시켜 광섬유 모드가 굴절율 정합유전체로 누설되어 원하는 만큼의 광 감쇠가 발생되도록 하여 낮은 삽입손실과 되반사가 없고 높은 가변범위 및 광섬유를 절단하지 않고 용이하게 제작할 수 있는 인라인 가변 광감쇠기를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 인라인 가변 광감쇠기는 일정한 광신호를 입력받아 가변적으로 광신호를 감쇠시켜 출력하는 가변 광감쇠기에 있어서, 일정 길이로 클래드가 연마된 단일모드 광섬유가 일정한 곡율로 고정되는 측면연마 광섬유블럭과, 상기 클래드와 동일한 굴절율을 갖는 전반사영역과 상기 단일모드 광섬유의 코어와 유사한 굴절율을 갖는 손실영역으로 구성되어 상기 클래드가 연마된 단일모드 광섬유와 인접되고 이동수단에 의해 상기 단일모드 광섬유의 길이방향으로 이동되는 정합유전체 이동블럭을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 인라인 가변 광감쇠기는, 상기 정합유전체 이동블럭이 상기 전반사영역과 손실영역이 이동방향에 대하여 예각되게 접합되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 인라인 가변 광감쇠기는, 상기 손실영역이 파이렉스(Pyrex)로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 인라인 가변 광감쇠기는, 상기 광섬유블럭을 고정시키는 본체와, 상기 정합유전체 이동블럭을 이동시키는 이동수단으로 마이크로메터가 상기 본체에 장착되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 개략적인 구성도,

도2는 본 발명의 일실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 동작을 설명하기 위한 주요부의 횡단면도,

도3은 본 발명의 일실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 사용상태도,

도4는 본 발명의 일실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 이론적 손실크기도표,

도5는 본 발명의 일실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 실제 측정도표.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 본체15: 커버

20: 마이크로메터 헤더30: 광섬유

31: 코어32: 클래드

33: 피복34: 튜브

40: 정합유전체 이동블럭41: 전전반사영역

42: 손실영역50: 측면연마 광섬유블럭

51: 실리카60: 측면연마구역

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 인라인(in-line) 가변 광감쇠기를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 개략적인 구성도이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 동작을 설명하기 위한 주요부의 횡단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기는 상기 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 일정 길이로 클래드(32)가 연마된 단일모드 광섬유(30)가 일정한 곡율로 고정되는 측면연마 광섬유블럭(50)과, 상기 클래드(32)와 동일한 굴절율을 갖는 전반사영역(41)과 상기 단일모드 광섬유(30)의 코어(31)와 유사한 굴절율을 갖는 손실영역(42)으로 구성되어 상기 클래드가 연마된 단일모드 광섬유(30)와 인접되고 이동수단에 의해 상기 단일모드 광섬유의 길이방향으로 이동되는 정합유전체 이동블럭(40)이 포함되어 구성된다.

상기 광섬유(30)의 클래드(32)는 이산화세슘(CeO₂)이 포함된 파우더로 연마되어 측면연마구역(60)을 형성하는 것이 바람직하다[S.P.Ma and S.M.Tseng, "High-performance side-polished fiber and application as liquid crystal clad fiber polarizers", IEEE J.of Lightwave Tech. Vol. 15, pp.864-867, Aug. 1997.]. 즉, 연마된 광섬유의 전송손실은 최소 0.1 ~ 0.2dB 이내로 되게 연마한다. 한편, 상기 광섬유(30)를 고정하는 측면연마 광섬유블럭(50)은 실리카(SiO₂;51)로 구성하며, 상기 광섬유(30)가 고정되는 곡률에 따라 전송손실이 상이하게 나타난다.

상기 정합유전체 이동블럭(40)은 전반사영역(41)과 손실영역(42)으로 구분되며, 바람직하게는 정합유전체 이동블럭(40)의 이동방향이 상기 광섬유(30)의 길이방향에 대하여 예각되게 접합되도록 20 내지 80도의 기울기를 이룬다. 상기 전반사영역(41)은 상기 광섬유(30)의 클레드(32)와 동일한 굴절율을 갖는 실리카로 구성되며, 상기 손실영역(42)은 굴절율 정합유전체로서 상기 광섬유 코어(31)와 굴절율이 동일한 경우 가장 큰 손실을 유도할 수 있다.

상기와 같이 구성된 정합유전체 이동블럭(40)은 일정한 압력하에 상기 측면연마 광섬유블럭(50)과 접촉되고 기계적으로 이동되어 광을 소산장(evanescent wave) 결합으로 손실시키게 된다. 또한 이 때 상기 정합유전체 이동블럭(40)과 측면연마 광섬유블럭(50) 사이에는 삽입손실을 낮추기 위해 정합액을 사용할 수 있으며, 상기 정합유전체 이동블럭(40)과 측면연마 광섬유블럭(50)의 사이는 0.1 ~ 0.2um 의 에어갭(air gap)이 형성되는 것이 바람직하다.

도3은 본 발명의 일실시예에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 사용상태도이다.

상기 도3에 도시된 바와 같이, 상기 측면연마 광섬유블럭(50)을 고정시키는 본체(10)와, 상기 정합유전체 이동블럭(40)을 이동시키는 이동수단으로 마이크로메터(20: 헤더부분이 도시됨)가 상기 본체(10)에 장착되어 구성되며, 입력측과 출력측의 광섬유(30)는 상기 측면연마 광섬유블럭(50)에 연결되며, 상기 정합유전체 이동블럭(40)을 고정하는 커버(15)가 구비되어 구성된다. 또한, 상기 정합유전체 이동블럭(40)의 손실영역(42)은 굴절율이 1550nm에서 1.456인 파이렉스(pyrex; 미국의 코닝사에서 발표한 붕규산유리의 상표명)로 구성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작 효과를 설명하면, 본 발명에 의한 인라인 가변 광감쇠기는 측면 연마된 단일모드 광섬유(30)와 그 위에 형성된 굴절율 정합유전체(41, 42) 사이의 광결합을 기본적으로 이용한다. 굴절율 정합 유전체의 굴절율이 광섬유 코어(31)보다 같거나 더 큰 경우 광섬유에 갇혀 진행하던 광은 연마된 부위에서는 굴절율이 높은 손실영역(42)으로 일부 누설된다. 광의 감쇠량은 연마된 부위의 손실영역(42)이 덮는 총길이에 의해 결정되며, 이를 기계적으로 가변하여(마이크로메터) 정밀한 광 감쇠량을 제어하게 된다.

상기 도2 및 도3과 같이 광의 진행방향은 z이고, 정합유전체 이동블럭(40)의 이동방향은 y이다. 연마 후 남은 클래드의 두께가 최소인 지점을 Z=0이고, 측면연마구역(60)과 접접되는 손실영역(42)이 접하는 부분이 Zp로 한다. 이 때 상기 손실영역(42)과 전반사영역(42)의 기울기(θ)는 30°로 한다. 따라서, 해상도는 기울기에 의한 정합유전체 이동블럭(40)의 이동거리(y)에 따른 면적의 변화율로 된다.

또한 상기 광섬유(30)는 일정한 곡률을 갖기 때문에 연마 후 남는 클레드의 두께는 수학식1과 같이 정하여 진다.

d₀= 클레드의 두께(최소), R = 곡률반경, z = y/tanθ

따라서, 이론적인 손실량의 변화는 다음 수학식2에 따라 산출할 수 있으며,도4에 도시된 바와 같다.

a=코어반경, Zp=손실영역 시작점의 위치, R=곡률반경, n_cl=클레드의 굴절율, n_c0=코어의 굴절율, n_p=파이렉스의 굴절율, k₀=자유공간의 파동수, K1=수정2종 Bessel 함수, β₀=연마전의 광섬유 전파상수, u=단일모드 광섬유의 코어의 정규화된 횡파의 전파상수, w=단일모드 광섬유의 코어의 정규화된 횡파의 전파상수, V_p=k₀a(n_p ²-n_cl ²)^1/2

상기 도4는 n_cl=1.4444, n_c0=1.448, a=4.0um, d₀=0um일때의 이론값이다.

한편, 본 발명의 일실시예에 의한 파이렉스를 약1.1mm두께로 하여 손실영역(42)을 제작하는 경우에는 22℃의 파장이 630, 830, 1310, 1550nm에서 프리즘 커플러에 의한 파이렉스의 반사손실은 각각 1.4698, 1.4655, 1.4591, 1.4561로 측정되어 본 발명에 적합하다는 것을 알 수 있다.

또한, 편광의존손실(Polarization dependent loss;PDL)은 곡률(R)이 100cm일경우 감쇠가 10dB에서는 0.1dB, 20dB에서는 0.2dB, 30dB에서는 0.4dB로 각각 측정되었으며, 이러한 것은 높은 유전체율을 갖는 손실영역(42)의 이방성구조에 기인된 것으로 사료되며, 광섬유의 코어(31)에 유전율이 동일할수록 향상된다.

도5는 본 발명에 의한 인라인 가변 광감쇠기의 실제 측정치를 도시한 것으로, 삽입손실이 0.6dB이고 파장의존성은 손실이 10dB일 때 1550nm파장 부근에서 0.025dB/nm로 나타났으며, 가변 변위는 55dB가 된다.

따라서, 본 발명은 이격거리가 넓고 높은 해상도를 가질 뿐만 아니라 구조가 단순하여 제작비용이 저렴하며, 광감쇠량을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 광신호를 클래드와 동일한 굴절율을 가진 전반사영역과 광신호를 손실시키는 손실영역으로 이루어진 정합유전체 이동블럭을 마이크로미터를 사용하여 광감쇠량을 용이하고 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

또한, 광신호의 삽입손실이 작으며, 낮은 편광 및 파장의존성 손실로 해상도가 높아 제품의 신뢰성이 있으며, 구조가 간단하여 제작비용이 저렴한 효과가 있다.

Claims

일정한 광신호를 입력받아 가변적으로 광신호를 감쇠시켜 출력하는 가변 광감쇠기에 있어서,

일정 길이로 클래드가 연마된 단일모드 광섬유가 일정한 곡율로 고정되는 측면연마 광섬유블럭과, 상기 클래드와 동일한 굴절율을 갖는 전반사영역과 상기 단일모드 광섬유의 코어와 유사한 굴절율을 갖는 손실영역으로 구성되어 상기 클래드가 연마된 단일모드 광섬유와 인접되고 이동수단에 의해 상기 단일모드 광섬유의 길이방향으로 이동되는 정합유전체 이동블럭을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인라인 가변 광감쇠기.
제1항에 있어서,

상기 정합유전체 이동블럭은, 상기 전반사영역과 손실영역이 이동방향에 대하여 예각되게 접합되는 것을 특징으로 하는 인라인 가변 광감쇠기.
제2항에 있어서,

상기 손실영역은 파이렉스(Pyrex)로 형성되는 것을 특징으로 하는 인라인 가변 광감쇠기.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 측면연마 광섬유블럭을 고정시키는 본체와, 상기 정합유전체 이동블럭을 이동시키는 이동수단으로 마이크로메터가 상기 본체에 장착되어 구성되는 것을 특징으로 하는 인라인 가변 광감쇠기.