KR20040015261A - 가열 제작된 렌즈 섬유 - Google Patents

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KR20040015261A
KR20040015261A KR10-2003-7016174A KR20037016174A KR20040015261A KR 20040015261 A KR20040015261 A KR 20040015261A KR 20037016174 A KR20037016174 A KR 20037016174A KR 20040015261 A KR20040015261 A KR 20040015261A
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glass fiber
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절카우크라인시크
데브라레이바스타그
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

포커싱 렌즈 섬유(6)는 렌즈(7)를 구비한 말단부가 형성된 광섬유(8)를 포함한다. 상기 렌즈는 레일리 영역보다 큰 빔 웨이스트까지 거리를 갖는다. 렌즈 섬유 제작 방법은 소정의 시간동안 유리 섬유의 선택된 영역을 저항성 가열하는 단계 및 상기 선택된 영역에 볼록면을 형성하기 위하여 저항성 가열하는 동안 유리 섬유를 잡아당기는 단계를 포함한다.

Description

가열 제작된 렌즈 섬유{Thermally-formed lensed fibers}
렌즈 섬유는 말단부에 렌즈가 구비된 광섬유를 갖는 일체형 소자(monolithic device)이다. 렌즈 섬유는 제작하기 용이하기 때문에, 즉 능동적인 섬유-렌즈 정열 및 렌즈에 섬유를 접착시키는 것을 요구하지 않고, 낮은 삽입 손실을 가지며, 매우 작게 제작할 수 있어서 소자 소형화를 가능하게 하기 때문에, 장점을 갖는다. 렌즈의 열팽창 계수는 사용온도 범위에서 보다 좋은 성능을 달성하기 위하여 광섬유의 열팽창 계수에 맞춰질 수 있다. 렌즈 섬유는 쉽게 배열되므로 배열된 소자의 제작, 실리콘 광 벤치(silicon optical bench) 응용분야에서의 사용 및 평면의 도파로에 광섬유의 정렬의 용도로 바람직하다. 게다가, 특정 응용분야에 대하여 렌즈 섬유의 스팟 크기(spot size) 및 작용 거리가 조절될 수 있다. 예를 들면, 렌즈 섬유의 스팟 크기 및 작용 거리는 광학 스위치 안에 보다 작은 MEMS(micro-electro-mechanical-systems)의 사용을 허용할 수 있는 보다 작은 광선 지름을 생성하도록 조절될 수 있다.
다양한 형태의 렌즈 섬유가 있다. 도 1은 종래기술의 광섬유(2)의 하나의 말단부에 융해-접합된 평면 볼록 렌즈(planoconvex lens; 1)를 구비한 콜리메이팅 렌즈 섬유(collimating lensed fiber)를 나타낸다. 광섬유(2)는 단일모드 또는 다중모드 섬유일 수 있다. 평면 볼록 렌즈(1)는 일반적으로 코어가 없는 섬유(coreless fiber)로 형성된다. 평면 볼록 렌즈(1)의 정면은 구와 같은 형태이고, 광섬유(2)의 밖으로 방출되는 광선을 평행하게 된 광선으로 전개하는 콜리메이터(collimator)로서 작용한다. 콜리메이팅 렌즈 섬유는 넓은 영역의 거리상에서 광선을 평행하게 하는데 사용될 수 있다. 콜리메이팅 렌즈 섬유의 하나의 중요한 이용은 광섬유간에 광선을 커플링하는 것이다.
다양한 콜리메이팅 렌즈 섬유 제작 방법이 있다. 하나의 방법은 바람직한 곡률 반경을 갖는 구면을 형성하기 위하여 광섬유의 말단부를 녹이는 공정을 포함한다. 일반적으로, 녹이는 공정은 광섬유의 말단부의 서로 반대면에 위치한 한 쌍의 전극사이에 전기 아크(electric arc)를 형성하는 과정을 포함한다. 전기 아크는 구면을 형성하기 위하여 광섬유의 말단부를 녹인다. 다른 방법으로, 레이저빔이 구면을 형성하기 위하여 광섬유의 말단부를 녹이는데 사용될 수 있다. 또 다른 콜리메이팅 렌즈 섬유 제작 방법은 광섬유에 구면을 구비한 코어가 없는 섬유를 접합하는 과정을 포함한다. 그때 구면을 구비한 코어가 없는 섬유는 렌즈와 같이 작용한다.
도 2는 광섬유(3)의 말단부에 형성된 테이퍼(taper; 4)를 구비한 테이퍼형 렌즈 섬유(tapered lensed fiber)를 나타낸다. 광섬유(3)는 단일모드 또는 다중모드 섬유일 수 있다. 테이퍼(4)는 렌즈와 같이 작용하는 볼록면(5)을 구비한다. 볼록면(5)의 곡률 반경은 콜리메이팅 렌즈 섬유의 평면 볼록 렌즈(도 1에서 도면부호 1)의 곡률 반경과 비교하여 매우 작다. 테이퍼(4)는 광섬유(3)의 말단부를 연삭 및/또는 연마 과정에 의해 달성될 수 있다. 테이퍼형 렌즈 섬유는 짧은 작용 거리 상에서 광선을 콜리메이트한다. 테이퍼형 렌즈 섬유는 광섬유와 레이저 광원 또는 광증폭기 또는 평면의 도파로 사이에 광선을 연결하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 광통신 네트워크에서 광섬유와 광학 소자사이에 광선을 연결하기 위한 방법 및 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 포커싱 렌즈 섬유 및 렌즈 섬유 제작 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래기술의 콜리메이팅 렌즈 섬유의 개략도이다.
도 2는 종래기술의 테이퍼형 렌즈 섬유의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 포커싱 렌즈 섬유의 다양한 실시예들을 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 다양한 포커싱 렌즈 섬유 구조에 대하여 InGaAs(n=3.18)에서 진행한 다음에 100㎛의 대기에서 진행하는 광선에 대한 가우스 광선 자취 분석을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 유리 섬유 상에 곡률 반경의 형성 방법을 도시한 것이다.
도 5c는 저항성 필라멘트를 가지고 점점 가늘어지게 절단을 한 후에 도 5b의 유리 섬유를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 방법에 의해 제작된 테이퍼형 렌즈 섬유를 나타낸다.
도 7은 렌즈의 f-넘버의 정의를 도시한 것이다.
도 8은 모드 필드 지름을 포커싱 렌즈의 볼록면으로부터 거리의 함수로서 나타낸 것이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 포커싱 렌즈의 x 성분 및 y 성분에 대하여 빔 웨이스트에서 모드 영역 형태(×10 확대)를 나타낸다.
도 10은 테이퍼형 렌즈 섬유에 대하여 각도 방사 세기를 곡률 반경의 함수로서 나타낸 것이다.
도 11a 내지 도 11d는 다양한 테이퍼형 렌즈 구조에 대하여 모드 필드 지름을 렌즈 표면으로부터 거리의 함수로서 나타낸 것이다.
하나의 관점에서, 본 발명은 렌즈를 구비한 말단부가 형성되는 광섬유를 포함하는 포커싱 렌즈 섬유(focusing lensed fiber)에 관한 것이다. 상기 렌즈는 레일리(Rayleigh) 범위보다 큰 빔 웨이스트(beam waist)까지의 거리를 갖는다.
다른 관점에서, 본 발명은 소정의 시간동안 유리 섬유의 선택된 영역을 저항성 가열하는 단계 및 상기 선택된 영역에 볼록면을 형성하기 위하여 저항성 가열하는 동안 상기 유리 섬유를 잡아당기는 단계를 포함하는 렌즈 섬유 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 이하 상세한 설명 부분 및 첨부된 도면으로부터 명백할 것이다.
본 발명의 실시예들은 광섬유의 모드 필드 지름(mode field diameter; MFD)보다 더 크거나, 같거나 또는 더 작은 스팟(spot)으로 광섬유의 밖으로 방출하는 광선의 초점을 맞추는 포커싱 렌즈 섬유(focusing lensed fiber)를 제공한다. 포커싱 렌즈 섬유는 포커싱 및 집광 장치 응용에 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 포커싱 렌즈 섬유 제작 방법을 제공한다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 광섬유, 더욱 일반적으로 유리 섬유의 말단부에 정밀한 곡률 반경을 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 광섬유의 말단부에 넓은 범위의 규칙을 갖는 평면 볼록 렌즈(planoconvex lens)의 형성을 허용한다. 이것은 특정 응용분야에 적합한 렌즈 섬유의 스팟 크기와 작용 거리를 허용한다. 또한 상기 방법은 테이퍼형 렌즈 섬유(tapered lensed fiber)를 제작하는데 사용될 수 있다. 테이퍼형 렌즈 섬유는 짧은 작용 거리 상에서 콜리메이션(collimation)은 물론 포커싱 및 집광 장치 응용에 대하여 사용될 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예들은 이하 첨부된 도면과 참조하여 기술된다.
도 3a는 광섬유(8)에 접합된 평면 볼록 렌즈(7)를 구비한 포커싱 렌즈 섬유(6)를 나타낸다. 평면 볼록 렌즈(7)는 융해-접합하는 과정에 의해 광섬유(8)에 접합될 수 있다. 광섬유(8)는 코어(core; 9) 및 상기 코어(9)를 둘러싸는 클래딩(cladding; 10)을 구비한다. 광섬유(8)는 편광유지(polarization-maintaining; PM) 섬유를 포함하는 임의의 단일모드 섬유 또는 다중모드 섬유일 수 있다. 도시한 바와 같이, 광섬유(8)는 단일모드 섬유로 도시되어 있다. 평면 볼록 렌즈(7)의 지름은 광섬유(6)의 지름보다 더 큰 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이것은 필수조건은 아니다. 평면 볼록 렌즈(7)의 지름은 광섬유(8)의 지름과 동일할 수 있거나(도 3b 참조), 또는 광섬유(8)의 지름보다 작을 수 있다(도 3c 참조). 일반적으로, 평면 볼록 렌즈(7)는 도파하는 코어(waveguiding core)를 구비하지 않은 유리 섬유로 만들어진다. 유리 섬유 및 광섬유(8)는 동일한 섬유 제작 공정을 사용하여 만들어질 수 있다. 일반적으로, 평면 볼록 렌즈(7)는 실리카(silica) 또는 불순물이 첨가된 실리카(doped silica), 예를 들면 B2O3-SiO2와 GeO2-SiO2로 만들어지며, 코어(9)의 굴절률과 비슷한 굴절률을 갖는다. 일반적으로 평면 볼록 렌즈(7)는 역반사(back-reflection)를 최소화하기 위하여 무반사 코팅(anti-reflective coating)되어 있다. 일반적으로 -55dB 이상의 역반사가 바람직하다.
동작에 있어서, 코어(9) 아래로 진행하는 광선은 평면 볼록 렌즈(7)에 입사할 때 발산하고, 평면 볼록 렌즈(7)를 나갈 때 한 스팟으로 초점이 맞춰진다. 렌즈(7)의 곡률 반경(Rc) 및 두께(T)는 평면 볼록 렌즈(7)의 볼록면으로부터 빔 웨이스트(beam waist)까지의 거리(f)가 레일리 범위(Rayleigh range)보다 큰 것이 선택되었다. 레일리 범위는 광선 반경이 최소값의 root 2의 계수 내에 있는 빔 웨이스트 주위에 축의 거리이다. 레일리 범위는 다음과 같은 표현을 사용하여 계산된다.
(1)
여기서 z0은 레일리 범위이고, w0은 빔 웨이스트의 반경이며, λ는 파장이다. 레일리 범위보다 큰 빔 웨이스트까지 거리(f)를 만드는 것에 의하여, 평면 볼록 렌즈(7)에 의해 생산된 광선은 초점 장치 또는 집광 장치와 같이 작용하는 평면볼록 렌즈(7)를 허용하는 레일리 범위의 외부에 위치하게 된다. 일반적으로, 다음과 같은 조건이 렌즈에 적용된다.
(2)
여기서 T는 렌즈의 두께이고, Rc는 렌즈의 곡률 반경이며, n은 관심부분의 파장에서 렌즈의 굴절률이고, Φ는 작은 가우스 광선(Gaussian beam)의 회절에 인한 위상변화이다.
포커싱 렌즈 섬유(6)의 스팟 크기 또는 모드 필드 지름(MFD)은 평면 볼록 렌즈(7)의 두께(T), 곡률 반경(Rc) 및 빔 웨이스트까지 거리(f)에 의해 결정된다. 설명을 위해, 다양한 포커싱 렌즈 섬유 구조에 대한 InGaAs(n=3.18)에서 진행한 다음에 100㎛의 대기에서 진행하는 광선에 대한 가우스 광선 자취 분석(Gaussian beam ray trace analysis)은 도 4a 및 도 4b에 나타낸다. 도 4a는 모드 필드 지름(MFD)을 렌즈 두께 및 렌즈의 곡률 반경의 함수로서 나타낸 것이다. 도 4b는 빔 웨이스트까지 거리를 렌즈의 두께 및 곡률 반경의 함수로서 나타낸 것이다. 도 4a 및 도 4b에서 렌즈 구조에 대한 목적은 10㎛ 지름의 광검출기 영역 상에 Corning?SMF-28 광섬유 코어 이미지를 형성하는 것이었다. 광검출기는 3.18의 굴절률을 갖는 반도체의 100㎛ 내부에 내장되었다. 계산에 의해 광선이 상기 고 굴절률 물질을 통하여 진행한다면 대기 중의 16㎛의 스팟은 10㎛보다 조금 작은 것에 해당할 것임을 알 수 있었다. 모델링은 광섬유 코어에 대하여 6.3㎛의 가우스 모드 영역 반지름(Gaussian mode field radius)을 가정했다. 접합부와 렌즈 형성이열로 인하여 코어가 넓어지게 되는 결과 때문에 가정된 모드 영역 반지름은 SMF-28의 5.2㎛인 공칭 모드 영역 반지름보다 더 크다
도 3a로 돌아가면, 평면 볼록 렌즈(7)의 구조는 광선이 평면 볼록 렌즈(7)를 나오는 점에 광선 지름이 평면 볼록 렌즈(7)의 지름을 초과하지 않도록 선택되는 것이 바람직하다; 그렇지 않으면, 공명과 도파하는 효과(waveguiding effect)가 발생할 수 있다. 일반적으로, 광선이 평면 볼록 렌즈(7)를 나오는 점에 평면 볼록 렌즈(7)의 지름은 다음과 같이 계산될 수 있다.
(3)
여기서
(4)
이고,
(5)
이다. 여기서 wd는 광선이 렌즈를 나오는 점에 모드 영역 반지름이고, d는 광선이 렌즈를 나오는 점이며, θbeam은 레일리 범위 외부에 가우스 광선의 발산각이고, λ는 광선의 파장이며, w0은 빔 웨이스트에 모드 영역 반지름이고, n은 관심부분의 파장에서 굴절률이다.
대칭 모드 영역을 달성하기 위하여, 평면 볼록 렌즈(7)의 곡률 반경(Rc)의 형성은 주의 깊게 조절되어야 한다. 도 5a는 임의의 유리 섬유, 예를 들면 유리 섬유(20) 상에 정밀한 곡률 반경의 형성 방법을 도시한 것이다. 유리 섬유(20)는 평면 볼록 렌즈 모양으로 형성될 코어가 없는 섬유 또는 렌즈 모양으로 형성될 단일모드 또는 다중모드 섬유의 말단부일 수 있다. 본 발명의 상기 방법은 유리 섬유(20)를 따라 바람직한 위치에서 열원(22)의 위치를 정하는 과정을 포함한다. 도 5b에 나타낸 바와 같이, 열원(22)은 화살표에 의해 지시된 방향으로 유리 섬유(20)를 잡아당기면서 유리 섬유(20)에 조절된 양의 열을 전달하도록 동작한다. 유리 섬유(20)는 가열됨에 따라 점점 가늘어지게 절단되고 바람직한 곡률 반경을 구비하는 볼록면(도 5c의 도면부호 24)을 형성하기 위하여 잡아당겨진다. 도 5b에서 열원(22)은 대칭적인 모드 영역을 갖는 구면의 렌즈의 형성을 허용하기 위하여 유리 섬유(20)에 매우 균일한 열을 전달하는 저항성 필라멘트이다.
도 5c로 돌아가면, 볼록면(24)의 곡률 반경은 저항성 필라멘트(도 5b의 도면부호 22)에 공급된 전력에 의존한다. 유리 섬유(20)를 점점 가늘어지게 절단을 하기 위하여 사용되는 통상적인 전력은 바람직한 곡률 반경에 의존하는 22W 내지 30W의 범위이다. 볼록면(24)의 곡률 반경은 저항성 필라멘트(도 5b의 도면부호 22)에 의한 가열시간에도 영향을 받는다. 일반적으로, 유리 섬유(20)를 점점 가늘어지게 절단한 후에 가열시간이 길면 길수록, 곡률 반경은 더 커진다. 볼록면이 저항성 필라멘트(도 5b의 도면부호 22)로부터 열에 의해 녹여짐에 따라, 곡률 반경은 볼록면(24)의 정면에 저항성 필라멘트(도 5b의 도면부호 22)의 위치를 정하고 볼록면을향하여 저항성 필라멘트(도 5b의 도면부호 22)를 이동시키는 것에 의하여 점점 가늘어지게 절단 후에 더 커질 수 있다. 이 공정은 멜트 백(melt-back)으로 언급된다. 볼록면(24)에 가해진 열과 가열시간은 바람직한 곡률 반경을 획득하기 위하여 제어된다.
포커싱 렌즈 섬유는 두 개의 광섬유의 통상적인 접합하는 과정으로서, 광섬유에 유리 섬유를 접합함으로써 형성될 수 있다. 저항성 필라멘트 또는 전기 아크와 같은 다른 적절한 열원은 광섬유에 유리 섬유를 접합시키는데 사용될 수 있다. 바람직한 방법이 광섬유에 유리 섬유를 접합하는 저항성 가열을 사용하는 것이라 할지라도, 레이저 용접과 같은 접합의 다른 방법도 사용될 수 있다. 광섬유에 유리 섬유를 접합한 후에, 유리 섬유에 곡률 반경을 형성하는 상술한 바와 같이 유리 섬유는 저항성 가열되고 잡아당겨진다. 유리 섬유에 대하여 상술한 바와 같이, 광섬유의 말단부에 바람직한 곡률 반경을 형성하기 위하여 테이퍼형 렌즈 섬유는 광섬유의 말단부를 저항성 가열하고 잡아당기는 함으로써 형성될 수 있다. 도6은 본 발명의 방법에 의해 제작된 테이퍼형 렌즈 섬유(12)를 나타낸다. 테이퍼형 렌즈 섬유(12)는 바람직한 곡률 반경을 갖는 테이퍼(taper; 16)를 구비한 광섬유(14)를 구비하며, 여기서 테이퍼(16)는 렌즈와 같이 작용한다. 광섬유(14)는 클래딩(19)에 의해 둘러싸인 코어(18)를 구비한다. 일반적으로, 광섬유(14)는 PM 섬유를 포함하는 임의의 단일모드 섬유 또는 다중모드 섬유일 수 있다.
테이퍼형 렌즈 섬유(도 6에서 나타낸 도면부호 12)와 포커싱 렌즈 섬유(도 3a 내지 도 3c에서 나타낸 도면부호 6)사이에 중요한 차이점은 평면 볼록 렌즈(도3a 내지 도 3c에서 나타낸 도면부호 7)와 렌즈(또는 테이퍼; 도 6에서 나타낸 도면부호 16)의 빔 웨이스트까지 거리 및 f-넘버(f-number) 또는 속력이다. 렌즈의 f-넘버의 정의는 도 7을 참조하여 설명된다. 렌즈의 f-넘버는 렌즈의 명확한 구경 또는 유효 지름에 대한 렌즈의 빔 웨이스트까지 거리(f)의 비율로서 정의된다. 일반적으로, 유효 지름(D)은 렌즈의 볼록면에 광선 지름의 99%이다. 테이퍼형 렌즈 섬유에 대한 빔 웨이스트까지 거리(f)는 일반적으로 약 5㎛ 내지 50㎛의 영역인데, 빔 웨이스트에서 모드 필드 지름과 비교할만한 포커싱 렌즈 섬유에 대한 빔 웨이스트까지 거리(f)는 일반적으로 100㎛보다 크다. 테이퍼형 렌즈 섬유의 f-넘버는 통상적으로 약 1 정도로 작은데, 포커싱 렌즈 섬유의 f-넘버는 1보다 매우 크다.
포커싱 렌즈 섬유(도 3a 내지 도 3c에 나타낸 도면부호 6)와 테이퍼형 렌즈 섬유(도 6에 나타낸 도면부호 12) 모두 포커싱 및 집광 장치 응용에 대하여 사용될 수 있다. 또한 테이퍼형 렌즈 섬유(12)는 짧은 작용 거리 상에서 광선을 평행하게 하기 위하여 사용될 수 있다. 일반적으로 말하면, 포커싱 렌즈 섬유(도 3a 내지 도 3c에 나타낸 도면부호 6)는 광검출기 또는 수신기로 광선을 포커싱하는 것과 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)로부터 광섬유로 광선을 커플링하는 것에 매우 적합하다. 테이퍼형 렌즈 섬유는 광섬유의 안팎에서 고정밀도의 수치적 구경인 평면의 도파로, VCSEL 및 원형 또는 원형과 유사한 광선을 갖는 다른 레이저 광원로 광선을 커플링하는 것에 매우 적합하다. 높은 f-넘버 때문에, 동일한 모드 필드 지름을 갖는 테이퍼형 렌즈 섬유와 비교하여 포커싱 렌즈 섬유는 각도 조정불량에 더 민감한 경향이 있다. 포커싱 렌즈 섬유의연결 효율은 일반적으로 99%이상이다. 테이퍼형 렌즈 섬유의 연결 효율은 일반적으로 80%이상이다.
상술한 방법을 사용하여 형성된 포커싱 렌즈 섬유 구조의 예들은 표 1에 나타낸다. 그러나, 표 1에 제시된 예들은 단지 설명을 위한 것이고 어떤 식으로든 본 발명을 한정하는 것으로 해석해서는 안 된다는 것은 명백하다. 표 1에 나타낸 렌즈 섬유 구조에 대하여, 코어가 없는 섬유는 단일모드 섬유에 접합되었고, 상술한 방법을 사용하는 평면 볼록 렌즈를 형성하기 위하여 점점 가늘어지게 절단되었다. 코어가 없는 섬유는 붕규산염 봉(borosilicate rod)이고, 뉴 저지주 모간빌의 바이트란 코퍼레이션(Vytran Corporation of Morganville, New Jersey)에 의해 상표명 FFS-2000으로 판매되는 융해 접합기(fusion splicer)가 코어가 없는 섬유를 점점 가늘어지게 절단하기 위해 사용되었다. 융해 접합기는 코어가 없는 섬유를 가열하기 위하여 텅스텐 필라멘트를 포함한다. 표 1은 코어가 없는 섬유를 점점 가늘어지게 절단하는데 사용되는 전력 조건을 나타낸다. 또한 표 1에 나타낸 것은 렌즈에 대하여 빔 웨이스트에서 모드 필드 지름(MFD), 빔 웨이스트까지 거리 및 레일리 범위이다. 측정치는 1545㎚에서 측정되었다.
공정 변수와 포커싱 렌즈 섬유 구조사이에 관계
도 8은 렌즈(D; 표 1 참조)에 대하여 x-축 및 y-축(도 3a 참조)을 따라 모드 필드 지름을 z-축(도 3a 참조)을 따라 거리의 함수로서 나타낸 것이다. z-축의 영점은 섬유와 렌즈사이에 형성된 접합부(도 3a에서 도면부호 26 참조)에서 방출하는 광선의 렌즈 안에 발산각으로부터 계산된다. 도 9a 및 도 9b는 각각 렌즈(D; 표 1 참조)에 대하여 빔 웨이스트에서 모드 필드 형태(mode field shape)의 x-성분 및 y-성분을 나타낸다. 광선 측정치는 0.25의 수치적 구경에서 10배율 대물 렌즈를 사용하여 광선 주사(beam scan)와 함께 측정되었다. 그러므로, 실제 모드 필드 지름은 근사적으로 160㎛ 대신에 10배, 더 작은 16㎛이다.
도 10은 테이퍼형 렌즈 섬유에 대하여 각도 세기(angular intensity)를 곡률반경의 함수로서 나타낸 것이다. 테이퍼형 렌즈 섬유는 광섬유를 가열하는 동안 광섬유를 점점 가늘어지게 잡아당기는 과정에 의해 제작되었다. 광섬유는 뉴 저지주 모간빌의 바이트란 코퍼레이션(Vytran Corporation of Morganville, New Jersey)에 의해 상표명 FFS-2000으로 판매되는 것과 같은 융해 접합기(fusion splicer)를 사용하여 저항성 가열되었다. 테이퍼의 말단부에 형성된 곡률 반경은 시간길이에 비례하였고, 섬유는 저항성 가열에 노출되었다. 도 10에 보고된 각도 방사 세기(angular radiation intensity)는 포톤 인코포레이티드(Photon Inc.)에서 입수할 수 있는 LD 8900 각도 측정 복사계(goniometric radiometer)를 사용하여 +72°에서부터 -72°까지 주사하는 함으로써 원거리 필드(far field)에서 측정되었다. 그래프는 발산각과 테이퍼의 곡률 반경사이에 강한 의존성(좌측 y-축에 검정색 기호)을 보여준다. 게다가, 그래프는 공정 변수(FFS-2000 Vytran fusion splicer의 24.4W에서 가열시간)와 곡률 반경사이에 강한 의존성(우측 y-축에 열린 원)을 보여준다. 웨이스트에서 테이퍼의 1/e2파워 레벨(power level)에서 원거리 필드 발산각(θ) 및 빔 웨이스트에서 모드 영역 반경(w0)은 θ=λ/(πw0)을 사용하여 관계지을 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 네 개의 서로 다른 테이퍼형 렌즈 섬유 구조에 대하여 모드 필드 지름(MFD)을 렌즈의 볼록면으로부터 거리의 함수로서 나타낸 것이다. 검게 칠해진 원은 x-축(도 6 참조)을 따라 모드 필드 지름을 나타내는데, 검게 칠해지지 않은 원은 y-축(도 6 참조)을 따라 모드 필드 지름을 나타낸다. 데이터는40배율의 대물 렌즈를 사용하여 획득되었고, 모드 필드 지름은 40으로 나누어졌다. 테이퍼형 렌즈 섬유에 대한 통상적인 연결 효율은 두 개의 렌즈 섬유를 서로 커플링한 것과 Corning?SMF-28 코어에 렌즈 섬유를 커플링한 것 모두에 의하여 측정된 80%에서부터 90%까지의 범위이다.
본 발명의 렌즈 섬유에 대하여 다양한 실용적인 응용분야가 있다. 렌즈 섬유는 수신기 또는 검출기 또는 작은 Δn을 갖는 평면의 도파로 소자의 코어와 같은 광학 소자 상에 광선의 초점을 맞추기 위한 이미지를 형성하는 렌즈로서 사용될 수 있다. 이 응용분야에서, 광섬유의 코어 아래로 진행하는 광선은 렌즈에 입사할 때 발산하고 렌즈에서 방출될 때 광학 소자 상에 하나의 스팟으로 포커싱된다. 렌즈 구조는 바람직한 스팟 크기가 광학 소자 상에 형성되도록 선택될 수 있다. 또한 렌즈 섬유는 집광 장치로서 사용될 수 있다. 이 경우에서, 광선은 방출기 또는 평면의 도파로와 같은 광학 소자 상에 영역으로부터 방출할 수 있다. 렌즈는 광학 소자로부터 광선을 모으고 광섬유의 코어로 광선을 포커싱한다. 또한 렌즈의 받아들일 수 있는 각도와 동일하거나 보다 작은 발산각에서 섬유로부터 광선이 방출하는 집광 장치로서 렌즈 섬유는 사용될 수 있고, 렌즈는 섬유의 코어에 광선의 이미지를 형성한다.
본 발명이 한정된 수의 실시예에 관하여 기술되었다 할지라도, 본 명세서에 기술된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예가 안출될 수 있는 것은 본 명세서의 혜택을 받는 기술분야의 숙련된 당업자에게 분명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 단지 첨부된 특허청구범위에 의해 한정될 것이다.

Claims (19)

  1. 레일리 범위(Rayleigh range)보다 큰 빔 웨이스트(beam waist)까지의 거리를 갖는 렌즈를 구비한 말단부가 형성된 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유(focusing lensed fiber).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 1 보다 큰 f-넘버(f-number)를 구비하는 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 웨이스트는 100㎛보다 큰 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 실리카(silica)를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 도핑된 실리카(doped silica)를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈의 지름은 상기 광섬유의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈의 지름은 상기 광섬유의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈의 지름은 상기 광섬유의 지름과 동일한 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 -55dB보다 큰 역반사(back-reflection)를 구비하는 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 렌즈의 표면은 무반사 코팅(anti-reflection coating)되어 있는 것을 특징으로 하는 포커싱 렌즈 섬유.
  11. 소정의 시간동안 유리 섬유의 선택된 영역을 저항성 가열하는 단계; 및
    상기 선택된 영역에 볼록면을 형성하기 위하여 저항성 가열하면서 상기 유리 섬유를 잡아당기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유리 섬유는 코어가 없는 섬유(coreless fiber)인 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유리 섬유에 광섬유를 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유리 섬유를 잡아당기는 단계는 상기 유리 섬유와 상기 광섬유사이에 형성된 접합부로부터 떨어진 방향으로 상기 유리 섬유를 잡아당기는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 유리 섬유는 단일모드 섬유(single-mode fiber)이고,
    상기 볼록면은 상기 유리 섬유의 말단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 유리 섬유는 다중모드 섬유(multimode fiber)이고,
    상기 볼록면은 상기 유리 섬유의 말단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 유리 섬유는 편광유지 섬유(polarization-maintaining fiber)이고,
    상기 볼록면은 상기 유리 섬유의 말단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 볼록면을 저항성 가열함으로써 상기 볼록면의 곡률 반경을 크게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 볼록면을 저항성으로 가열하는 과정은 상기 볼록면의 곡률 반경이 확대됨에 따라 상기 볼록면을 향하는 방향으로 저항성 열원을 이동시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 섬유 제작 방법.
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