KR20040003845A - 편광유지형 광섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편광유지형 광섬유로서,

클래딩 영역내의 비대칭 잔류응력 발생영역으로서 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 구비함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유를 개시한다.

또한 본 발명은 편광유지형 광섬유의 제조방법으로서,

코어의 외층에 도핑농도에 따른 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 형성하는 단계와, 이종 물질이 도핑된 실리카층의 외층에 실라카층을 형성하여 모재를 제조하는 단계와, 모재의 양측면을 절단하여 비대칭 잔류응력 발생영역을 성형하는 단계, 및 상기 성형된 모재의 양측에 클래딩 영역을 위한 실리카층을 형성하고 원하는 강도로 인출하는 단계를 포함하는 편광유지형 광섬유의 제조방법을 포함한다. 상기 구성에 의하면 고농도의 붕소를 도핑하지 않고서도 굴절률의 구조를 원통대칭 계단구조로 형성할 수 있고, 비대칭적으로 응력을 코어에 가할 수 있어 클래딩 영역을 활용할 수 있는 편광유지형 광섬유를 제조할 수 있다.

Description

편광유지형 광섬유 및 그 제조방법 {Polarization-maintaining Optical Fibers and Method Thereof}

본 발명은 편광유지형 광섬유로서, 보다 상세하게는 고농도의 붕소를 도핑하지 않고서도 굴절률의 구조를 원통대칭 계단구조로 형성할 수 있고, 비대칭적으로 응력을 코어에 가할 수 있어 클래딩 영역을 활용할 수 있는 편광유지형 광섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

편광 유지 광섬유 중 가장 널리 사용되고 있는 종류는 광섬유 코어 주위에 비대칭적으로 잔류응력을 가할 수 있는 물질을 도핑함으로써 광탄성 효과에 의해 코어에 복굴절을 유발시키는 방법이 적용되어 왔다. 이러한 종류의 광섬유로는 PANDA 화이버, 보우타이(Bow-tie) 화이버, 에립틱 클래딩 화이버(elliptic cladding fiber)등이 가장 잘 알려진 형태의 광섬유들이다.

비대칭적으로 잔류응력을 가하는 물질로써 보로실리케이트 유리 (borosilicate glass)를 주로 사용한다. 이는 실리카 유리(silica glass)와의 열팽창계수 차이를 극대화시킴으로써 광섬유 모재 및 인출시 냉각과정에서 수축현상에 의해 열적인 잔류응력을 발생시키기 때문이다.

그러나 보로실리케이트 유리의 사용은 여러 가지 문제점들을 발생시킨다. 상기 유리의 사용은 적외선 영역에서 산란에 의한 손실을 다른 물질보다 많이 일으키며, 또한 굴절률을 낮추기 때문에 코어에 가까이 접근시키지 못한다. 일반적으로 코어 반경에 대해 약 6배 정도 멀리 위치해 있어야 한다. 이러한 구조 설계상의 장애(광 손실, 코어 영역과 거리유지)들 때문에 제조공정이 복잡해지며 소비되는 시간도 길어지게 된다. 이러한 요소들이 현재 편광유지 광섬유의 생산가격을 높여 놓은 요인들이라 할 수 있다.

또한 굴절률을 낮추는 물질의 도핑으로 인하여 클래딩 모드들이 도파되기 힘든 구조를 띄게 된다. 광섬유를 이용한 소자들 중 많은 부분들이 이 클래딩 모드와 코어 모드들의 상호 커플링을 이용하는데, 이런 클래딩모드 도파 장애는 클래딩 모드를 이용하는 광섬유 소자를 제작할 수 없는 단점을 갖게 만든다. 보로실리케이트 유리는 열팽창계수가 실리카 유리와 붕소의 농도에 따라 큰 차이를 만들어 내는데, 광섬유 인출 시만 열적 잔류응력을 발생시키는 것이 아니라 모재 생성 과정에서도 유사한 응력을 발생시키게 된다(단 발생했던 모재의 잔류응력은 인출 시 모두 소멸된다). 따라서 모재상태에서 큰 비대칭 응력을 받고 있으므로 물리적으로 매우 불안정한 상태일 수 있으며, 제조공정상에 모재가 깨지지 않도록 상당한 주의와 어닐링 처리가 요구된다.

본 발명에서는 열 팽창계수를 극대화시키는 방법이 아닌 인출 시 기계적인 힘에 의해 그 크기가 조절 가능한 잔류응력 발생 방법을 적용함으로써 편광 유지 효과를 만들어 내고자 한다. 따라서 열 팽창계수를 극대화시키는 첨가 물질인 보로실리케이트 유리 대신 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질을 적절한 비율로 첨가하여 기계적인 응력을 충분히 받을 수 있도록 유리의 점도를 떨어뜨리고 이와 동시에 굴절률을 실리카 클래딩과 일치시키고자 하였다. 따라서 열팽창 계수가 보로실리케이트 유리보다 상대적으로 작기 때문에 모재의 물리적 안정도를 개선시킬 수 있다. 또한 굴절률을 클래딩과 일치시킬 수 있기 때문에 클래딩 모드를 활용하는 소자를 제작할 수 있을 것이다. 이에 더하여 첨가되는 이종 물질을 산란에 의한 손실이 상대적으로 작고 일반 광섬유 제작에 널리 사용되는 첨가물을 이용한다면 코어 영역과의 거리와 관계없이 어느 영역에서도 도핑이 가능하게 된다.

이에 따라 본 발명의 목적은 고농도의 붕소를 도핑하지 않고서도 굴절률의 구조를 원통대칭 계단구조로 형성할 수 있고, 비대칭적으로 응력을 코어에 가할 수 있어 클래딩 영역을 활용할 수 있는 편광유지형 광섬유 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

도 1의 (a)는 편광유지 광섬유의 한 형태를 띠고 있는 광섬유 모재가 인출될 때 받을 수 있는 기계적으로 유도된 응력의 각 영역별 방향을 표기한 것이고,

(b)는 비대칭 응력을 가하는 부분이 인접한 영역으로부터 응력을 받는 것을 보여준다.

도 2는 열적으로 유도되는 잔류응력의 크기를 결정하는 요소인 열팽창계수와 농도에 따른 굴절률 변화 경향을 그래프로 나타낸 것이다.

도 3은 열적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유와 기계적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유의 굴절률 구조를 비교하여 도시한 것이다.

도 4는 모재제조과정에서 편광 유지 광섬유의 첨가물 영역에 따른 비대칭 구조를 형성하기 위해 필요한 중요 공정들을 개략적으로 도시한 것이다.

도 5는 편광 유지형 클래드 펌프 증폭용 광섬유를 제조하는데 필요한 도핑법과 공정을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명은 편광유지형 광섬유로서,

클래딩 영역내의 비대칭 잔류응력 발생영역으로서 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 구비하는 편광유지형 광섬유를 포함한다.

상기 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질들을 적절히 선택된 농도로 함께 실리카층에 도핑시킴으로써 열팽창계수 및 굴절율을 상호 보상시켜 주므로 변화량이 매우 적고 단지 유리점도만을 낮추는 것이 가능하다.

상기 이종 물질로는 도핑 농도와 열팽창계수 또는/및 굴절율이 양의 상관관계를 가지는 물질군과, 도핑 농도와 음의 상관관계를 가지는 물질군으로부터 적어도 1종 이상씩 선택하여 도핑될 수 있다. 도핑시의 적합한 농도는 바람직하기로는 비대칭 잔류응력 발생영역의 굴절율 또는/및 열팽창계수를 클래딩 영역의 굴절율 또는/및 열팽창계수와 실질적으로 동일하게 하는 정도로서 이들의 구체적인 농도는 당업자에 따라 적의 선택되어질 사항이다.

또한 본 발명은 상기 편광유지형 광섬유를 제조하기 위한 방법으로,

코어의 외층에 도핑농도에 따른 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 형성하는 단계와,

이종 물질이 도핑된 실리카층의 외층에 실라카층을 형성하여 모재를 제조하는 단계와,

모재의 양측면을 절단하여 비대칭 잔류응력 발생영역을 성형하는 단계, 및

상기 성형된 모재의 양측에 클래딩 영역을 위한 실리카층을 형성하고 원하는 강도로 인출하는 단계를 포함하는 편광유지형 광섬유의 제조방법을 포함한다.

이하 본 발명의 내용을 바람직한 실시예를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만 하기 실시예는 양의 상관관계를 가지는 물질 중에서 인(P₂O₅)을 선택하고, 음의 상관관계를 가지는 물질 중에서 불소(F)를 선택한 것으로, 이는 어디까지나 본 발명의 내용을 이해하기 위한 예시에 불과한 것으로 이들에 한정될 필요는 없다. 따라서 본 발명의 권리범위는 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 모든 이종 물질들을 포함함을 유의해야 한다.

광섬유 제조 시 발생하는 잔류응력에는 크게 열적 잔류응력(thermally induced residual stress)과 기계적 잔류응력(mechanically induced residual stress)으로 나뉠 수 있다. 열적 잔류 응력은 굴절률 변화를 위해 첨가되는 도핑물질의 열팽창계수가 순수 실리카 유리와 달라서 인출 시 냉각과정에서 서로 수축되는 정도의 차이가 발생되는데, 그 수축량의 불균형으로 인한 도핑 영역간의 응력을 열적 잔류응력이라 한다. 반면 기계적 잔류응력은 첨가되는 도핑물질에 따라 유리 점도의 저하 효과가 각각 다른데(모든 첨가물질은 유리의 점도를 낮추는 효과를 갖는다.), 인출 시 인장력이 가해질 때 각 점도가 다른 첨가물질 영역에 따라 서로 다른 회복력(restoring force)을 발생시킨다. 따라서 인출 후 인장되었던 광섬유가 회복될 때 수축량의 불균형으로 인해 도핑영역간에 응력을 받게 된다. 이를 기계적 잔류응력이라 한다. 이에 대한 자세한 설명은 다음 문헌에 자세히 설명되어 있다.(Y. Park et al, "Residual Stresses in a Doubly Clad Fiber with Depressed Inner Cladding(DIC)," J. of Lightwave Technol. vol.17, 1823-1834 (1999))

특히 기계적 잔류응력의 경우 인출시 인장력을 얼마나 크게 가하느냐에 따라 인출 후 수축력의 크기가 선형적으로 결정되므로 응력을 인출조건으로 조절할 수 있다는 특징을 보인다. 또한 열적 잔류응력은 부피의 수축현상이므로 광섬유 전 방향(r,θ,z)으로 힘을 가하게 되지만, 기계적 잔류응력은 인출 시 인장력을 사용하므로 광섬유 길이방향으로의 일차적인 회복력에 의한 긴장(strain)이 발생하고, 인출 후 광섬유의 전 방향으로 힘의 균형을 이루는 잔류응력을 만들게 된다.

도 1(a)는 응력을 비대칭적으로 가할 부분에 인과 불소 첨가물질을 도핑한 편광유지 광섬유를 인출할 때 받게 되는 기계적인 잔류응력의 광섬유 길이방향의 힘을 도시한 것이다. 잔류응력은 인출할 때 가하는 인출인장력에 선형적으로 비례하여 증가한다. ①은 두 물질의 첨가 영역을 나타내며 압축력(compression)을 받을 것으로 기대된다. 따라서 첨가물질이 없는 실리카 클래딩 영역②는 인장력(tension)을 받을 것이다. 이는 일반적으로 열적 잔류응력의 경우, 영역①이 인장력을 받고 영역②가 압축력을 받는 것과는 대조적이다. 일반 광섬유에 대한 두 잔류응력의 도핑영역간의 힘의 방향설명은 위의 참고 문헌에 자세히 설명되어 있다.

도 1(b)는 영역①의 광섬유 길이방향으로 압축력을 받을 때 나머지 방향으로 인접 영역에 가해지는 힘을 도시한 것이다. 광섬유 길이방향으로 압축긴장 (compressive strain)이 발생했으므로 이에 대한 부피보상효과로 나머지 방향에서도 인접영역에 압축력을 발생시킨다. 압축력을 받을 영역에 코어가 위치해 있으므로 ③방향으로 압축력을 받을 것이므로 열적 잔류응력의 경우와 반대로 힘을 받는 것이 된다. 열적 잔류응력의 경우 ③방향으로 응력에 의한 광탄성효과 때문에 slow axis가 발생되지만, 기계적인 잔류응력으로 유도된 경우 이와 반대로 fast axis가 발생될 것으로 기대된다.

열적 잔류응력을 최소화시키고 기계적 잔류응력을 극대화시키기 위한 도핑으로써 인과 불소의 첨가를 예시하였는데 그 이유는 도 2를 이용하여 구체적으로 설명될 수 있다. 도 2는 열적으로 유도되는 잔류응력의 크기를 결정하는 요소인 열팽창계수와 농도에 따른 굴절률 변화 경향을 각 첨가물들에 따라 그래프로 나타낸 것이다. 보로 실리케이트(borosilicate) 유리의 경우 도핑농도를 증가시킬수록 열팽창계수는 증가하고 반면 굴절률은 낮추는 경향을 보인다. 따라서 열적 잔류응력 유도로 편광유지 광섬유를 제조하는 경우 그 효과는 크지만 반면 극심한 굴절률 변화를 겪게 된다. 이와는 대조적으로 인과 불소를 첨가하는 경우 도 2에서 도시한 바와 같이 농도를 증가시켜도 두 물질간의 열팽창계수와 굴절률의 변화가 서로를 보상시켜 주기 때문에 변화량이 매우 적고 단지 유리점도만 낮출 수 있다. 이로써 비대칭 잔류응력 발생영역의 굴절률을 클래딩 영역의 굴절률과 일치시키는 목적과 열팽창 계수를 클래딩 영역인 무 첨가 실리카 유리와 거의 동일하게 맞추는 것이 가능해진다.

결과적으로 기계적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유는 비대칭 굴절률 구조를 갖지 않으면서 단지 광탄성(photoelastic)효과에 의한 복굴절 현상만 갖게 된다. 도 3은 열적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유와 기계적 잔류응력을 이용한 편광유지 광섬유의 굴절률 구조를 비교하여 도시한 것이다.

이와 같은 구조를 만들기 위하여 본 발명에 앞서 선행되었던 발명들에서 제시되었던 모재 제조 방법과 유사한 방법을 사용하였다. 도 4는 모재 제조과정에서 편광 유지 광섬유의 첨가물 영역에 따른 비대칭 구조를 형성하기 위해 필요한 중요 공정들을 개략적으로 도시한 것이다. 먼저 도 4①에서처럼 Modified Chemical- Vapor Deposition(MCVD) 공정을 이용하여 일반 광섬유 모재 제조법과 동일하게 모재를 제작한다. 이때 코어에는 실리카 유리의 첨가물로써 바람직하기로는 Ge를 도핑시킨다. 즉, GeO₂+ SiO₂조성의 유리가 형성된다. 두 번째 외곽 층에 비대칭 응력을 가하기 위한 영역으로 인과 불소를 첨가물로 도핑시킨다. 따라서 P₂O₅+ F + SiO₂유리층이 형성된다. 마지막 외곽층은 기질층(substrate)으로써 실리카 유리 튜브로부터 만들어진다. 그 다음 공정으로써 비대칭 응력을 가할 영역의 형태를 만들어 주기 위하여 도 4②에 도시된 것과 같이 모재의 양옆을 잘라낸다. 이 후 표면을 고르게 하기 위해 폴리싱과 같은 표면 가공처리가 추가될 수 있다. 이렇게 만들어진 중간단계의 비대칭 도핑 첨가 모재의 양옆에 첨가물이 없는 순수 실리카 유리를 붙이기 위해 앞에서의 설명과 유사하게 반원형태의 두 실리카 유리봉(도 4③,④)을 만들어 도 4⑤에서 도시된 것과 같이 용융 접합시키거나 도 4⑥과 같이 실리카 튜브 안에 끼워 넣어 용융접합시키는 방법으로 모재를 형성할 수 있다.

상기 과정을 통해 제조된 모재는 인과 불소가 첨가된 영역이 열팽창계수가 크지 않으므로 잔류응력을 크게 유발시키지 않기 때문에 외부충격에 상대적으로 강하고 안정적이다. 이와 유사한 방법으로 클래드 펌프 희토류 도프 증폭용 편광 유지 광섬유를 제조할 수 있다. 기존에 제시되었던 이와 같은 광섬유는 다음과 같은 문헌에서 찾아볼 수 있다.{D. A. V. Kliner et al, "Polarization-maintaining amplifier employing double-clad bow-tie fiber," Opt. Lett. vol. 26, 184-186 (2001)}.

상기 문헌에서는 bow-tie 형의 편광유지 광섬유 형태에 코어에 Yb을 첨가한 형태이고, 비대칭 응력 유발 부분은 붕소가 도핑되었다. 클래드 펌프의 특성상 저지수 폴리머(low index polymer)코팅을 수행하여 클래딩 영역에 펌프빔이 도파 되도록 하는데 붕소가 도핑된 부분의 낮은 굴절률에 의해 구조상 클래드 나선 모드(clad helical mode)가 쉽게 도파되도록 하기 곤란하다. 이런 점을 본 발명에서 제시한 도핑방법과 잔류응력 발생 방법을 이용하여 클래드 나선 모드가 쉽게 도파되도록 하면, 이 증폭 광섬유의 증폭특성을 향상시키는데 큰 도움을 줄 것으로 생각된다. 그 구현 형태는 도 5에서 제시된 바와 같다.

우선 도 5①에서 보는 바와 같이 희토류 물질과 Ge가 첨가된 코어 그리고 불소와 인이 첨가된 안쪽 클래딩을 갖는 모재를 MCVD 공정을 통해 제조한다. 그 다음과정인 도 5②에서와 같이 양옆을 절단한 후 직사각형(도 5③에 도시됨)의 단면구조를 갖는 두 실리카 유리 봉을 접합시키고, 이 모재를 인출할 때 강한 인출력을 유발시키면서 저지수 폴리머로 코팅을 하면 편광 유지형 클래드 펌프 증폭용 광섬유를 제조할 수 있다.

본 발명에 의하면 고농도의 붕소를 도핑하지 않고서도 굴절률의 구조를 원통대칭 계단구조로 형성할 수 있고, 비대칭적으로 응력을 코어에 가할 수 있어 클래딩 영역을 활용할 수 있는 광섬유를 제조할 수 있다. 이에 따라 기존에 적용이 불가능했던 편광유지 광섬유를 이용한 LPFG, 모드 컨버터, 클래드 펌프 PM 증폭기, 스페셜 화이버 커플러 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

모재는 잔류응력을 작게 받으므로 물리적으로 안정적이고, 공정의 편리성과비용절감의 효과를 가질 수 있다. 또한 산란에 의한 광손실이 적기 때문에 응력유발 영역을 코어와 가까이 근접시킬 수 있어 보다 효율적인 스트레스 분포를 조성할 수 있다.

또한 비대칭 응력 유발 영역이 굴절률 변화를 일으키지 않는다는 점을 착안하여 편광유지형 클래드 펌프 증폭용 광섬유를 제조하면 매우 효율적이며 저렴하면서도 크기가 작은 증폭기를 제조할 수 있다.

Claims (9)

1. 편광유지형 광섬유에 있어서,

   클래딩 영역내의 비대칭 잔류응력 발생영역으로서 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 구비함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유
2. 제 1항에 있어서,

   도핑 물질은 인 및 불소임을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 비대칭 잔류응력 발생영역의 굴절율을 클래딩 영역의 굴절율과 동일하게 함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 비대칭 잔류응력 발생영역의 열팽창계수를 클래딩 영역의 굴절율과 동일하게 함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유
5. 편광유지형 광섬유의 제조방법에 있어서,

   코어의 외층에 도핑농도에 따른 열팽창계수 및 굴절율이 각각 상반되는 경향을 가진 이종 물질이 도핑된 실리카층을 형성하는 단계와,

   이종 물질이 도핑된 실리카층의 외층에 실리카층을 형성하여 모재를 제조하는 단계와,

   모재의 양측면을 절단하여 비대칭 잔류응력 발생영역을 성형하는 단계, 및

   상기 성형된 모재의 양측에 클래딩 영역을 위한 실리카층을 형성하고 원하는 강도로 인출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유의 제조방법
6. 제 5항에 있어서,

   도핑 물질은 인 및 불소임을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유의 제조방법
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 비대칭 잔류응력 발생영역의 굴절율을 클래딩 영역의 굴절율과 동일하게 함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유의 제조방법
8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 비대칭 잔류응력 발생영역의 열팽창계수를 클래딩 영역의 굴절율과 동일하게 함을 특징으로 하는 편광유지형 광섬유의 제조방법
9. 제 5항에 있어서,

   모재를 원하는 강도로 인출한 후 저 지수 폴리머로 외곽을 코팅하는 단계를추가로 포함함을 특징으로 하는 편광유지 광섬유의 제조방법