KR20040011766A - 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터 및 이의 제작방법 - Google Patents
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Abstract
파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터 및 이의 제작방법에 대해 개시한다. 본 발명에 의한 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터는, 광섬유 코어와 외부 클래딩 사이에 임의의 두께를 갖는 내부 클래딩이 위치해 있고, 상기 광섬유 코어 및 내부 클래딩에 자외선 조사시 생성되는 광섬유격자에 의해 발생되는 주기적인 굴절률 변화가 상기 코어와 내부 클래딩에서 동시에 일어날 수 있도록 상기 광섬유 코어 및 내부 클래딩에 자외선 빔에 반응하여 굴절률 변화를 일으키는 광감도 물질이 도핑되어, 코어 모드와 클래딩 모드간의 모드 결합을 일으키고 자외선 조사량에 대해 모드 결합이 일어나는 중심파장의 이동이 적은 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 광감도 물질이 도핑된 코어와 내부 클래딩을 포함하는 광섬유에 자외선 빔을 조사하여 광섬유격자를 구현함으로써, 격자 제작시에 중심파장의 이동이 적기 때문에 필터 설계가 용이하고 격자의 제작 및 설계에 있어서 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터 및 이의 제작방법에 관한 것으로, 특히 코어와 클래딩에 광감도물질을 도핑하여 격자형성시 발생하는 코어와 클래딩간의 굴절률 변화량의 차이를 감소시키는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터 및 이의 제작방법에 관한 것이다.
광섬유격자는 광섬유 코어 내의 굴절률이 주기적으로 변하는 형태를 가진 광소자로서 광섬유 내에 직접 제작되기 때문에 다른 벌크형 소자에 비해 삽입손실이 적고 필터로서의 성능이 우수하여, 현재 광통신 소자로서 각광을 받고 있는 광소자이다. 이러한 광섬유격자의 제작 방법으로는 자외선 빔을 광섬유에 조사함으로써 광감도 물질이 도핑되어 있는 코어 내에 주기적인 굴절률 변화를 일으키는 방법이 일반적으로 널리 사용되고 있다. 그러나 일반 통신용 광섬유를 이용해 코어 모드를 클래딩 모드로 결합시키는 광섬유격자를 제작할 경우, 조사되는 자외선에 반응하여 굴절률 변화를 일으키는 대부분의 광감도 물질이 코어에만 집중되어 있기 때문에 격자 제작시 주기적인 굴절률의 변화가 코어에서만 발생하게 된다. 따라서 자외선 조사시, 코어의 굴절률의 평균값이 클래딩의 굴절률보다 상대적으로 크게 변함으로써 모드 결합이 일어나는 광섬유격자의 중심파장이 장파장대로 점차 이동하게 된다. 격자 제작 상에서 자외선 조사에 따른 광섬유격자의 중심파장 이동은 일반적으로 자외선 조사량과 관계되는데, 필터의 중심파장을 정확하게 설계하기 위해서는 격자 제작시 자외선 조사량에 따른 파장의 이동을 정확히 예측해야 한다는 어려움을 가지고 있다.
도 1a는 기존의 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면으로, 광감도 물질이 도핑된 코어(4)와 광감도 물질이 도핑되지 않은 클래딩(6)으로 구성된 광섬유(2)에 주기가인 광섬유격자가 코어(4)에만 형성된 것을 나타낸 것으로, 편의상 격자의 주기가 수십 ㎛ ∼ 수백 ㎛인 장주기 광섬유격자를 대표적인 일례로 기술한다. 상기 코어(4)에 도핑된 광감도 물질은 자외선 노출 시, 굴절률 변화를 일으키는 물질을 총칭하는 것으로 대표적인 예로는 게르마늄(Ge)을 들 수 있으며, 광감도를 향상시키기 위한 방법으로는 수소처리 등을 들 수 있다. 상기 광섬유(2)의 클래딩(6)의 지름()은 일반적으로 125㎛이며, 코어(4)의 지름은 사용 목적에 따라 수 ㎛에서 수십 ㎛의 값을 가질 수 있다. 상기 광섬유격자의 동작 원리를 살펴보면, 입력단으로 입사된 코어 모드의 다파장 입력 신호(100)가 주기가인 광섬유격자를 통과하면서 [수식 1]의 위상정합조건을 만족하는 파장의 신호만이 클래딩 모드로 결합(200)이 일어나고 그 외의 신호는 출력단으로 출력(300)된다.
ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ[수식 1]
여기서,는 코어 모드의 유효 굴절률을 나타내고는 클래딩 모드의 유효 굴절률을 나타내며,는 모드 결합이 일어나는 격자의 중심파장을 나타낸다. 상기 광섬유격자의 경우, 코어(4)에 광감도 물질이 집중되어 도핑되었기 때문에 자외선 빔의 조사시, 코어(4)의 굴절률이 클래딩(6)의 굴절률보다 상대적으로 크게 증가(또는 감소)하게 됨으로써 모드 결합이 일어나는 격자의 중심파장()이 자외선 조사량에 따라 장파장대(또는 단파장대)로 이동하게 된다. 상술된 격자의 중심파장 변화의 실험 예를 도 1b에 설명한다.
도 1b는 기존의 광섬유격자의 제작에 있어서, 자외선 조사에 따른 격자의 중심파장의 이동을 나타낸 도면으로, 실선의 투과 스펙트럼은 점선의 투과 스펙트럼보다 자외선 조사량이 많은 것을 나타낸다. 도 1b에서 볼 수 있듯이 자외선의 조사량이 증가할수록 격자의 투과 스펙트럼이 점차 장파장대로 이동(점선→실선)하는 것을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 기존의 광섬유격자 제작에서 문제가 되었던 자외선 빔의 조사에 따른 중심파장 이동을 해결하기 위해서, 코어와 내부 클래딩 모두에 광감도 물질이 도핑되어 있는 광섬유에 자외선 레이저 빔(UV laser)을 조사하여 코어와 내부 클래딩에 주기적인 굴절률 변화를 동시에 발생시켜 자외선 빔 조사시 발생하는 코어와 클래딩의 굴절률 변화량의 차이를 줄여줌으로써 격자 제작 상에서발생하는 파장 이동을 줄이고 필터 설계가 용이한 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터 및 이의 제작방법을 제공하는데 있다.
도 1a는 기존의 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면,
도 1b는 자외선 레이저빔을 이용해 격자를 제작할 때 발생하는 광섬유격자의 파장이동 관계를 나타낸 그래프,
도 2는 코어와 내부 클래딩 모두에 격자가 삽입된 파장이동을 감소시킨 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면,
도 3은 격자 제작시 파장이동을 감소시킨 광섬유격자의 구현에 있어서 광섬유 굴절률 분포의 바람직한 일례를 나타낸 그래프,
도 4a는 격자 제작시 파장이동을 감소시킨 경사진 장주기 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면,
도 4b는 격자 제작시 파장이동을 감소시킨 단주기 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면,
도 4c는 격자 제작시 파장이동을 감소시킨 경사진 단주기 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
2 : 일반 통신용 광섬유
4 : 코어
6 : 클래딩
12 : 광감도 물질이 도핑된 코어와 내부 클래딩을 포함하는 광섬유
16 : 내부 클래딩
18 : 외부 클래딩
100 : 다파장 입력 신호
200, 200a, 200b, 200c : 격자에 의해 클래딩 모드로 결합되는 신호
300 : 격자에 의해 영향을 받지 않고 출력되는 신호
: 코어의 지름
: 클래딩의 지름
: 내부 클래딩의 지름
: 외부 클래딩의 지름
: 장주기 격자의 주기
: 경사진 장주기 격자의 주기
: 단주기 격자의 주기
: 경사진 단주기 격자의 주기
: 장주기 격자의 경사각
: 단주기 격자의 경사각
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터의 제작방법은, 광섬유 코어와 외부 클래딩 사이에 임의의 두께를 갖는 내부 클래딩을 위치시키고, 상기 광섬유 코어 및 내부 클래딩에 자외선 조사시 생성되는 광섬유격자에 의해 발생되는 주기적인 굴절률 변화가 상기 코어와 내부 클래딩에서 동시에 일어날 수 있도록 상기 광섬유 코어 및 내부 클래딩에 자외선 빔에 반응하여 굴절률 변화를 일으키는 광감도 물질을 도핑시켜, 격자 형성시 코어 모드와 클래딩 모드간의 모드 결합을 일으키고, 자외선 조사량에 대해 모드 결합이 일어나는 중심파장의 이동을 감소시키는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 광섬유 외부 클래딩을 내부 클래딩으로 대체하여 상기 광섬유의 클래딩 영역 전체에 광감도 물질을 도핑함으로써 격자 제작시 주기적인 굴절률의 변화가 광섬유 전체에서 일어나게 하는 것도 바람직하다. 또한 상기 광섬유의 광감도를 향상시키기 위해 수소처리한 후 상기 격자 제작시 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터를 제작할 수 있으며, 수소처리시, 코어와 클래딩의 수소처리 정도를 조절하여 상기 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터를 구현할 수 있다.
상기 광섬유격자는 위상정합조건을 만족하는 코어 모드의 광 신호를 진행방향의 클래딩 모드로 결합시키고 격자가 경사지지 않거나(), 임의의 각으로경사지게() 제작된다. 또한, 상기 광섬유격자는 위상정합조건을 만족하는 코어 모드의 광 신호를 진행방향의 반대 방향으로 반사시켜 클래딩 모드로 결합시키고 격자가 경사지지 않거나(), 임의의 각으로 경사지게() 제작된다.
본 발명의 기본 구성은 광감도 물질이 도핑된 코어와 내부 클래딩을 포함하는 광섬유와, 상기 광섬유의 코어와 내부 클래딩 모두에 주기적인 굴절률 변화를 갖는 광섬유격자로 이루어진다. 상기 광섬유는 코어와, 내부 클래딩, 그리고 외부 클래딩으로 구성되어 있으며, 내부 클래딩의 지름은 코어와 외부 클래딩의 지름 사이의 임의의 값을 가질 수 있다. 또한 본 특허에서 지칭한 상기 광섬유격자는 입력된 코어 모드의 다파장 입력 신호 중 광섬유격자의 위상정합조건(phase matching condition)을 만족하는 특정 파장의 신호를 클래딩 모드로 진행방향 또는 진행 방향의 반대 방향으로 결합시키는 광섬유격자를 총칭한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 격자 제작시 파장이동을 감소시킨 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면으로,인 경우를 일례로 설명한다. 상기 광섬유격자는 광감도 물질이 도핑된 코어(4)와 내부 클래딩(16) 모두에 주기가인 간격으로 형성된다. 여기에, 광감도 물질이 도핑되지 않은 외부 클래딩(18)이 내부 클래딩(16)을 감싸고 있다. 물론, 외부 클래딩(18)에는 광섬유격자가 형성되지 않는다. 상기 광섬유격자가 형성되는 내부 클래딩(16)의 지름()은 코어(4)의 지름()과 외부 클래딩(18)의 지름() 사이의 임의의 값을 가질 수 있으며, 상황에 따라 내부 클래딩(16)과 외부 클래딩(18)의 지름이 동일하여 클래딩 전체에 광감도 물질이 도핑될 수도 있다. 참조번호 12는 광감도 물질이 도핑된 코어와 내부 클래딩을 포함하는 광섬유이며, 참조번호 200은 격자에 의해 클래딩 모드로 결합되는 신호이고, 참조번호 300은 격자에 의해 영향을 받지 않고 출력되는 신호이다.
입력단으로 입사된 코어 모드의 다파장 입력 신호(100)는 격자 주기가인 광섬유격자에 의해 [수식 1]을 만족하는 특정 파장의 신호만이 내부 클래딩(16)으로 모드 결합(200)이 일어나고 결합이 일어나지 않은 나머지 광 신호들은 출력단으로 출력(300)된다. 여기서, 기존의 도 1a의 격자와 상이한 점은 광섬유격자에 의해 모드 결합이 일어나는 내부 클래딩(16)에도 광감도 물질이 도핑되었기 때문에 자외선 빔을 조사하여 격자를 제작할 때, 코어(4)의 굴절률과 내부 클래딩(16)의 굴절률이 동일하게 증가하게 됨으로써와이 거의 동일하게 증가한다는 것이다. 따라서 격자 제작시 자외선 조사량에 따른 중심파장의 이동을 줄여줄 수 있다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자를 구현하는데 있어서 광섬유 굴절률 분포의 바람직한 일례를 나타낸 것이다. 코어와 내부 클래딩에는 동일한 양의 광감도 물질이 도핑되는 것이 바람직하지만 경우에 따라 도핑양이 다를 수도 있다. 그리고 코어의 전반사 조건을 만족하기 위해 내부 클래딩의 굴절률은 코어의 굴절률보다 낮아야 하며, 이를 위해 내부 클래딩에 붕소[Boron : B]또는 플루오르[Fluorine : F] 등의 물질을 도핑하여 굴절률을 낮출 수 있다. 또한 내부 클래딩과 외부 클래딩의 굴절률은 동일한 것이 바람직하며, 경우에 따라 내부 클래딩의 굴절률이 외부 클래딩의 굴절률보다 높거나 낮을 수 있다. 본 발명에서의 광섬유는 광감도 물질이 도핑되고 충분히 큰 지름()의 내부 클래딩을 포함하는 광섬유로, 필요에 따라 다양한 구조의 굴절률 분포를 가질 수 있다.
자외선 조사시, 코어와 클래딩의 굴절률 변화량은 광감도 물질의 도핑량뿐만 아니라 수소처리에도 영향을 받기 때문에 코어와 클래딩에 광감도 물질이 동일하게 도핑되지 않았더라도 수소처리 조건을 조절하여 코어와 클래딩의 굴절률의 변화량을 거의 동일하게 해줄 수 있다.
도 4a는 격자 제작시 파장이동을 감소시킨 경사진 장주기 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면으로, 광섬유(12)의 구성 및 광섬유격자의 동작원리는 도 2와 동일하며 임의의 각()으로 격자가 경사진 것과 광섬유격자에 의해 모드 결합이 일어나는 클래딩 모드(200a)가 hybrid lm (l≠1) 클래딩 모드인 것을 특징으로 한다. 여기서, 경사진 광섬유격자의 주기()는로 정의된다.
도 4b와 도 4c는 격자 제작시 파장이동을 감소시킨 단주기 광섬유격자의 구조를 나타낸 도면으로, 상기 단주기 광섬유격자는 위상정합조건()을 만족하는 특정파장에서의 코어 모드를 진행 방향과 반대 방향인 클래딩 모드로 모드 결합을 시키는 광섬유격자를 지칭한 것으로, 도 4b는 격자가 경사지지 않은 경우()를 나타내고, 도 4c는 격자가 임의의 각으로 경사진 경우()를 각각 나타낸다. 상기 광섬유격자에서는 격자 제작시 모드 결합이 일어나는 영역, 즉 코어(4)와 내부 클래딩(16) 모두에서 주기적인 굴절률 변화가 일어나기 때문에 격자 제작시 자외선 조사량에 따른 중심파장의 이동을 감소시킬 수 있다. 상기 도 4b와 도 4c의 광섬유격자는 모드 결합이 일어나는 클래딩 모드(200b, 200c)가 각각 hybrid 1m(200b)과 hybrid lm(l≠1)(200c) 클래딩 모드라는 점에서 상이하고 동작원리는 서로 동일하다.
본 실시예에서는 광섬유에 대해서만 설명하고 있으나 평면도파로를 포함하는 모든 광도파로에 본 발명이 적용될 수 있으며, 광섬유 코어와 외부 클래딩 사이에 임의의 크기의 지름을 가지고 있는 내부 클래딩이 위치해 있고 상기 광섬유 코어와 내부 클래딩에 자외선 빔에 반응하여 굴절률 변화를 일으키는 광감도 물질이 도핑된 광섬유, 상기 광감도 물질이 도핑된 광섬유의 코어와 내부 클래딩에 자외선 빔의 조사시 주기적인 굴절률 변화가 동시에 일어날 수 있어 코어 모드와 클래딩 모드간의 모드 결합을 일으키고 자외선 조사량에 대해 모드 결합이 일어나는 중심파장의 이동이 적은 광섬유격자를 이용한 EDFA 이득평탄용 필터 등에 이용할 수 있음은 주지의 사실이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터 및이의 제작방법은, 광감도 물질이 도핑된 코어와 내부 클래딩을 포함하는 광섬유에 자외선 빔을 조사하여 광섬유격자를 구현함으로써, 자외선 조사시 코어와 클래딩의 굴절률이 동일하게 변화하고, 자외선 조사량에 대해 격자의 중심파장의 이동이 적은 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 격자 제작시에 중심파장의 이동이 적기 때문에 필터 설계가 용이하고 격자의 제작 및 설계에 있어서 높은 신뢰성을 얻을 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 (8)
- 광섬유 코어와 외부 클래딩 사이에 임의의 두께를 갖는 내부 클래딩을 위치시키고, 상기 광섬유 코어 및 내부 클래딩에 자외선 조사시 생성되는 광섬유격자에 의해 발생되는 주기적인 굴절률 변화가 상기 코어와 내부 클래딩에서 동시에 일어날 수 있도록 상기 광섬유 코어 및 내부 클래딩에 자외선 빔에 반응하여 굴절률 변화를 일으키는 광감도 물질을 도핑시켜, 격자 형성시 코어 모드와 클래딩 모드간의 모드 결합을 일으키고, 자외선 조사량에 대해 모드 결합이 일어나는 중심파장의 이동을 감소시키는 것을 특징으로 하는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 외부 클래딩을 내부 클래딩으로 대체하여 상기 광섬유의 클래딩 영역 전체에 광감도 물질을 도핑함으로써 격자 제작시 주기적인 굴절률의 변화가 광섬유 전체에서 일어나는 것을 특징으로 하는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유격자는 위상정합조건을 만족하는 코어 모드의 광 신호를 진행방향의 클래딩 모드로 결합시키고 격자가 경사지지 않은 것()을 특징으로 하는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유격자는 위상정합조건을 만족하는 코어 모드의 광 신호를 진행방향의 클래딩 모드로 결합시키고 격자가 임의의 각으로 경사진 것()을 특징으로 하는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유격자는 위상정합조건을 만족하는 코어 모드의 광 신호를 진행방향의 반대 방향으로 반사시켜 클래딩 모드로 결합시키고 격자가 경사지지 않은 것()을 특징으로 하는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유격자는 위상정합조건을 만족하는 코어 모드의 광 신호를 진행방향의 반대 방향으로 반사시켜 클래딩 모드로 결합시키고 격자가 임의의 각으로 경사진 것()을 특징으로 하는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도핑된 광감도물질은 광섬유의 광감도를 향상시키기 위해 수소처리에 의해 형성시키되, 상기 코어와 클래딩의 수소처리 정도를 조절하여 자외선 조사시, 코어와 클래딩의 굴절률 변화량이 동일하도록 구현하는 것을 특징으로 하는 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터의 제작방법.
- 제 1 항의 방법으로 제조된 파장이동을 감소시킨 광섬유격자 필터.
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