KR20040033976A - Optical Fiber Grating Device Using Liquid Crystals And Its Manufacturing Method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 액정(liquid crystal)이 코아(core) 영역의 중공부(hollow)에 채워진 광섬유 격자 소자(optical fiber grating device)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유에 물리적인 변형을 가함으로써 광투과 스펙트럼(spectrum)을 넓은 파장에서 전기적으로 제어할 수 있도록 한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber grating device in which a liquid crystal is filled in a hollow of a core region, and more particularly, a light transmission spectrum by applying a physical deformation to an optical fiber. The present invention relates to an optical fiber grating device using a liquid crystal capable of electrically controlling a spectrum at a wide wavelength, and a method of manufacturing the same.
일반적으로, 광섬유 격자 소자는 광섬유 내의 코어나 클래딩(cladding) 영역에 형성되는 격자의 주기 및 형상에 따라 단주기(short period) 광섬유 격자, 장주기(long period) 광섬유 격자, 표본화 광섬유 격자 등으로 구분된다. 상기 광섬유 격자 소자는 현재 스펙트럼(spectrum) 특성에 따라 광통신 분야 및 광센서 분야에서 다양한 용도로 활용되고 있다.In general, optical fiber gratings are classified into short period fiber gratings, long period fiber gratings, and sampled fiber gratings, depending on the period and shape of the grating formed in the core or cladding region within the fiber. . The optical fiber grating device is currently used in various applications in the optical communication field and the optical sensor field according to spectrum characteristics.
상기 격자 구조는 일반적으로 광반응성 광섬유에 강한 자외선을 조사함으로써 원하는 격자 구조로 제조될 수 있다. 하지만, 이러한 방식으로 제조된 광섬유 격자 소자는 그 자체적으로 수동 소자이기 때문에 상기 광섬유 격자 소자가 일단 제조되고 나면, 상기 광섬유 격자 소자의 광투과 스펙트럼을 가변할 수가 없다. 따라서, 상기 광섬유 격자 소자의 용도가 매우 제한적일 수밖에 없다. 그 결과, 상기광섬유 격자 소자를 다기능의 광통신 시스템에 적용하기가 어렵다. 더욱이, 차세대의 광통신 시스템은 전체 시스템을 효율적으로 운용할 수 있도록 실시간으로 가변하는 시스템의 조건을 능동적으로 제어할 수 있는 광소자를 요구하고 있다.The lattice structure can generally be made into a desired lattice structure by irradiating strong ultraviolet rays to the photoreactive optical fiber. However, since the optical fiber grating element manufactured in this manner is a passive element in itself, once the optical fiber grating element is manufactured, the light transmission spectrum of the optical fiber grating element cannot be changed. Therefore, the use of the optical fiber grating device is very limited. As a result, it is difficult to apply the optical fiber grating element to a multifunctional optical communication system. Moreover, next generation optical communication systems require optical devices that can actively control the conditions of the system that are changing in real time so that the entire system can be efficiently operated.
특히, 장주기 격자 소자는 광통신 시스템 상의 광증폭기에 대한 이득 평탄화 필터로서의 응용 가능성이 매우 높지만 외부의 환경에 대해 매우 민감하게 반응하는 동작 특성을 나타낸다. 이러한 특성은 광센서로서의 용도에 적합하나 광통신 시스템에 그대로 적용될 경우, 광통신 시스템의 안정성을 저하시키는 요인으로 작용한다.In particular, long-period grating elements exhibit operational characteristics that are highly applicable as gain flattening filters for optical amplifiers on optical communication systems but are very sensitive to external environments. Such a property is suitable for use as an optical sensor, but when applied to an optical communication system as it is, it acts as a factor that lowers the stability of the optical communication system.
이를 극복하기 위해 광섬유 격자 소자에 열이나 장력을 가하여줌으로써 이미 제작된 광섬유 격자 소자의 특성을 가변시키고자 하는 방법들이 제안되어 왔다. 그러나, 이들 방법들의 대부분은 가변 영역이 제한적이고, 열이나 장력을 광섬유에 가하기 위해 격자 소자의 사이즈가 커지는 단점을 갖고 있다.In order to overcome this problem, methods have been proposed to change the characteristics of the fabricated fiber grating device by applying heat or tension to the fiber grating device. However, most of these methods have a disadvantage in that the variable region is limited and the size of the grating element is increased to apply heat or tension to the optical fiber.
또한, 액정 광섬유 소자에 격자 형태의 전기장을 인가함으로써 상기 액정 광섬유 소자의 가변 특성을 얻고자 하는 방법도 제시되었다. 그러나, 이 방법은 격자 형태의 전기장 패턴을 얻기 위해 복잡한 전극 구조가 부가적으로 필요하며, 상기 격자 구조에 의해 모드 결합(mode coupling)이 생성됨으로써 선택되는 파장이 조절되지 않는 단점을 갖고 있다.In addition, a method of obtaining variable characteristics of the liquid crystal optical fiber device by applying a lattice-shaped electric field to the liquid crystal optical fiber device has also been proposed. However, this method additionally requires a complicated electrode structure to obtain a grating-type electric field pattern, and has a disadvantage in that the wavelength selected by mode coupling is generated by the grating structure.
따라서, 본 발명은 광통신 및 광센서 시스템의 요구 사양에 맞추어 광섬유격자 소자의 특성을 넓은 파장 영역에서 제어할 수 있도록 하는데 있다.Accordingly, the present invention is to enable to control the characteristics of the optical fiber grating element in a wide wavelength range in accordance with the requirements of the optical communication and optical sensor system.
본 발명의 다른 목적은 광섬유 격자 소자의 동작 특성을 넓은 파장 영역에서 전기적으로 용이하게 제어할 수 있도록 하는데 있다.Another object of the present invention is to be able to easily control the operating characteristics of the optical fiber grating element in a wide wavelength range.
본 발명의 또 다른 목적은 광섬유 격자 소자의 구조를 단순화하도록 하는데 있다.It is another object of the present invention to simplify the structure of an optical fiber grating element.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들 및 특징들은 이하의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 더욱 명확해질 것이다.The above and other objects and features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 액정 광섬유 소자의 횡단면 구조를 나타내며 외부의 전기장이 인가된 경우 및 인가되지 않은 경우의 액정 배열 상태를 나타낸 예시도.1A and 1B illustrate a cross-sectional structure of a liquid crystal optical fiber device according to the prior art, and illustrate an exemplary liquid crystal arrangement state when an external electric field is applied or not.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자의 횡단면 구조를 나타내며 광투과 스펙트럼의 전기적 조절이 가능한 동작 원리를 나타낸 예시도.Figures 2a and 2b is an exemplary view showing a cross-sectional structure of the optical fiber grating element using the liquid crystal according to the present invention and showing an operating principle capable of electrically adjusting the light transmission spectrum.
도 3은 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자에 적용된 광섬유의 구조를 나타낸 종단면도.Figure 3 is a longitudinal sectional view showing the structure of an optical fiber applied to an optical fiber grating element using a liquid crystal according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자 제조 방법에 적용된, 광섬유에 주기적인 변형을 가하기 위한 제조 장치를 나타낸 개략 구성도.4 is a schematic configuration diagram showing a manufacturing apparatus for applying periodic strain to an optical fiber, which is applied to a method for manufacturing an optical fiber grating element using liquid crystal according to the present invention.
도 5는 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자의 광투과 스펙트럼을 측정하기 위한 측정 장치의 개략 구성도.5 is a schematic configuration diagram of a measuring device for measuring a light transmission spectrum of an optical fiber grating element using a liquid crystal according to the present invention.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자에 적용된, 구동 전압이 고정된 경우 및 가변된 경우의 광투과 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프.6A and 6B are graphs showing light transmission spectral characteristics when a driving voltage is fixed and when a driving voltage is applied to an optical fiber grating element using a liquid crystal according to the present invention.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자는Optical fiber grating device using a liquid crystal according to the present invention for achieving the above object
코아 영역과 클래딩 영역을 가지며, 상기 코아 영역에 중심축을 따라 중공부가 형성되고, 상기 클래딩 영역에 격자 구조가 형성되며 상기 중공부에 액정이 채워진 광섬유; 및 상기 액정의 배향을 변화시키기 위해 상기 광섬유를 사이에 두고 대향하여 배치된 1쌍의 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.An optical fiber having a core region and a cladding region, a hollow portion formed along a central axis of the core region, a lattice structure formed on the cladding region, and a liquid crystal filled in the hollow portion; And a pair of electrodes disposed to face each other with the optical fiber interposed therebetween to change the orientation of the liquid crystal.
바람직하게는, 상기 액정은 복 굴절 특성을 갖는 것이 가능하다.Preferably, the liquid crystal can have birefringence characteristics.
바람직하게는, 상기 중공부의 내벽 표면이 상기 액정의 배향을 안정화시키기 위해 표면 처리될 수 있다.Preferably, the inner wall surface of the hollow portion may be surface treated to stabilize the alignment of the liquid crystal.
바람직하게는, 상기 격자 구조가 주기적으로 형성될 수 있다.Preferably, the lattice structure may be formed periodically.
또한, 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자 제조 방법은In addition, the optical fiber grating device manufacturing method using the liquid crystal according to the present invention for achieving the above object is
광섬유의 코아 영역에 중심축을 따라 중공부를 형성하는 단계; 상기 광섬유의 클래딩 영역에 격자 구조를 형성하는 단계; 및 상기 중공부에 액정을 주입하여 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Forming a hollow portion along a central axis in the core region of the optical fiber; Forming a lattice structure in the cladding region of the optical fiber; And filling and injecting a liquid crystal into the hollow part.
바람직하게는, 상기 격자 구조를 상기 광섬유에 인가된 전기적 방전과 장력에 의해 형성할 수 있다.Preferably, the lattice structure may be formed by electrical discharge and tension applied to the optical fiber.
바람직하게는, 상기 격자 구조를 상기 광섬유를 식각 공정에 의해 식각시킴으로써 형성할 수 있다.Preferably, the lattice structure may be formed by etching the optical fiber by an etching process.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 종래의 부분과 동일 구성 및 동일 작용의 부분에는 동일 부호를 부여한다.Hereinafter, an optical fiber grating device using a liquid crystal and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same code | symbol is attached | subjected to the part of the same structure and the same action as the conventional part.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자의 횡단면 구조를 나타내며 광투과 스펙트럼의 전기적 조절이 가능한 동작 원리를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자에 적용된 광섬유의 구조를 나타낸 종단면도이다.2a and 2b is an exemplary view showing a cross-sectional structure of the optical fiber grating element using the liquid crystal according to the present invention and showing an operating principle capable of electrical control of the light transmission spectrum, Figure 3 is an optical fiber grating element using the liquid crystal according to the present invention This is a longitudinal sectional view showing the structure of the optical fiber applied to.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 액정을 이용한 광섬유 격자 소자(100)는 중공형 광섬유(10)와, 상기 광섬유(10)의 중공부(11)에 채워진 액정(20) 및 상기 광섬유(10)를 사이에 두고 대향하여 배치된 1쌍의 전극(30)을 포함하여 이루어진다.2A and 2B, the optical fiber grating element 100 using the liquid crystal of the present invention includes a hollow optical fiber 10, a liquid crystal 20 filled in the hollow portion 11 of the optical fiber 10, and the optical fiber. It comprises a pair of electrodes 30 which are arranged to face each other with (10) therebetween.
여기서, 상기 광섬유(10)는 코아 영역(13)과, 상기 코아 영역(13)을 둘러싸는 클래딩 영역(15)을 포함한다. 상기 중공부(11)는 상기 코아 영역(13)의 중심부가 중심축을 따라 관통하여 형성된 빈 공간이다. 상기 클래딩 영역(15)에 물리적인 변형에 의해 격자 구조(도시 안됨)가 형성된다.Here, the optical fiber 10 includes a core region 13 and a cladding region 15 surrounding the core region 13. The hollow portion 11 is an empty space formed by penetrating a central portion of the core region 13 along a central axis. A lattice structure (not shown) is formed in the cladding region 15 by physical deformation.
또한, 상기 액정(20)으로는 전기장에 반응하여 방향자의 배향 방향이 변하는 모든 종류의 액정이 사용 가능하나, 본 발명은 상기 액정(20)으로서 예를 들어 네마틱 액정(20)을 사용한다. 상기 네마틱 액정(20)은 바람직하게는 유전 이방성을 가지며, 더욱 바람직하게는 양(positive)의 유전 이방성을 갖는다.The liquid crystal 20 may be any kind of liquid crystal whose orientation direction changes in response to an electric field, but the present invention uses, for example, a nematic liquid crystal 20 as the liquid crystal 20. The nematic liquid crystal 20 preferably has dielectric anisotropy, more preferably positive dielectric anisotropy.
또한, 상기 중공부(11) 내의 네마틱 액정(10)이 다른 상(phase)을 갖는 액정에 비하여 배향 특성이 안정적이므로 상기 중공부(11)의 내벽(17)에 부가적인 배향 처리가 되지 않는다.In addition, since the alignment characteristics of the nematic liquid crystal 10 in the hollow part 11 are stable compared to liquid crystals having different phases, no additional alignment treatment is performed on the inner wall 17 of the hollow part 11. .
또한, 상기 전극(30)은 광대역 광투과 억제 필터로서의 소자 특성을 얻기 위해 상기 광섬유(10)에 장주기 격자 구조를 형성하므로 광섬유(10)의 전 영역에 형성되어 있으나, 실제로는 다양한 광투과 특성을 얻기 위해 광섬유(10) 주위에 부분적으로 형성되는 것도 가능하다.In addition, the electrode 30 is formed in the entire region of the optical fiber 10 because the long period lattice structure is formed in the optical fiber 10 to obtain device characteristics as a broadband light transmission suppression filter, in practice, various light transmission characteristics It is also possible to be partially formed around the optical fiber 10 to obtain.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용된 광섬유(10)의 직경이 125μm이고, 중공부(11)의 직경이 6μm이며, 클래딩 영역의 굴절율이 1.447이다. 여기서, 상기 광섬유(10)와 중공부(11)의 직경은 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)(도시 안됨)에 의해 측정된 값이다.Meanwhile, as shown in FIG. 3, the diameter of the optical fiber 10 used in the present invention is 125 μm, the diameter of the hollow part 11 is 6 μm, and the refractive index of the cladding region is 1.447. Here, the diameter of the optical fiber 10 and the hollow portion 11 is a value measured by a scanning electron microscope (SEM) (not shown).
이와 같이 구성되는 본 발명의 액정을 이용한 광섬유 격자 소자(100)에서는도 2a에 도시된 바와 같이, 외부의 전원(40)의 스위치(S)가 오프 상태이면, 상기 1쌍의 전극(30)과 상기 전원(40)이 서로 전기적으로 연결되지 않으므로 상기 광섬유(10)의 중공부(11) 내의 네마틱 액정(20)에 전기장이 인가되지 않는다. 따라서, 상기 네마틱 액정(20)은 상기 광섬유(10)의 내벽(17)과의 표면 상호 작용에 의해 초기 상태로 배향된다.In the optical fiber grating device 100 using the liquid crystal of the present invention configured as described above, as shown in FIG. 2A, when the switch S of the external power supply 40 is turned off, the pair of electrodes 30 and Since the power source 40 is not electrically connected to each other, an electric field is not applied to the nematic liquid crystal 20 in the hollow part 11 of the optical fiber 10. Thus, the nematic liquid crystal 20 is oriented in an initial state by surface interaction with the inner wall 17 of the optical fiber 10.
반면에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 전원(40)의 스위치(S)가 온 상태로 전환되면, 상기 1쌍의 전극(30)과 상기 전원(40)이 서로 전기적으로 연결되므로 상기 네마틱 액정(20)에 전기장(E)이 인가된다. 따라서, 상기 네마틱 액정(20)의 방향자의 배열 상태가 상기 전기장(E)의 세기와 상기 광섬유(10)의 내벽(17)과의 표면 상호 작용에 의해 변하게 된다. 이때, 상기 네마틱 액정(20)은 유전 이방성이 양인 네마틱 액정이므로 상기 전기장(E)의 세기가 증가함에 따라 상기 네마틱 액정(20)의 방향자가 상기 전기장(E)의 방향으로 재배열된다.On the other hand, as shown in Figure 2b, when the switch (S) of the power source 40 is turned on, the pair of electrodes 30 and the power source 40 is electrically connected to each other the nema The electric field E is applied to the tick liquid crystal 20. Therefore, the arrangement state of the director of the nematic liquid crystal 20 is changed by the surface interaction between the intensity of the electric field E and the inner wall 17 of the optical fiber 10. In this case, the nematic liquid crystal 20 is a nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy, so that the direction of the nematic liquid crystal 20 is rearranged in the direction of the electric field E as the intensity of the electric field E increases. .
이후, 상기 스위치(S)를 오프 상태로 전환시킴으로써 상기 네마틱 액정(20)에 인가된 상기 전기장(E)을 제거하면, 상기 네마틱 액정(20)은 상기 광섬유(10)의 내벽(17)과의 표면 상호 작용에 의해 다시 초기의 상태로 재배열된다.Thereafter, when the electric field E applied to the nematic liquid crystal 20 is removed by turning off the switch S, the nematic liquid crystal 20 is an inner wall 17 of the optical fiber 10. It is rearranged back to its initial state by the surface interaction with.
따라서, 상기 전원(40)의 전압이 상기 네마틱 액정(20)에 인가되거나 인가되지 않은 경우와 상관없이 두 가지 경우에서 광모드 결합에 따른 광투과 특성이 모두 나타난다. 이는 상기 광섬유 격자 소자(100)의 네마틱 액정(20)이 상기 광섬유(10)의 중공부(11)에 주입되기 전에 상기 격자 구조가 상기 광섬유(10)의 클래딩 영역(15)에 미리 형성되어 있었기 때문이다.Therefore, regardless of the case where the voltage of the power source 40 is applied or not applied to the nematic liquid crystal 20, both light transmission characteristics due to the optical mode combination appear in both cases. This is because the lattice structure is formed in the cladding region 15 of the optical fiber 10 before the nematic liquid crystal 20 of the optical fiber grating element 100 is injected into the hollow portion 11 of the optical fiber 10. Because it was.
따라서, 상기 광섬유 격자 소자(100) 내의 도파광은 상기 네마틱 액정(20)의 유전 이방성에 의한 입사광의 편광에 따라 상이한 광학적 경로(optical path)를 갖는다. 이와 같이 전기적으로 조절 가능한 특성은 광통신 시스템에서 도파광의 편광 성분의 제어가 필요한 분야, 예를 들면 편광 조절기나 편광 분산 보상기에 응용될 수 있다.Accordingly, the waveguide light in the optical fiber grating device 100 has a different optical path depending on the polarization of the incident light due to the dielectric anisotropy of the nematic liquid crystal 20. Such electrically adjustable characteristics may be applied to an area requiring control of the polarization component of the waveguide light in an optical communication system, for example, a polarization controller or a polarization dispersion compensator.
그러나, 종래 기술에 의한 액정 광섬유 소자에서는 도 1a에 도시된 바와 같이, 중공형 광섬유(1) 내의 네마틱 액정(2)에 외부의 전기장이 인가되지 않으면, 즉 상기 광섬유(1)를 사이에 두고 대향하여 배치된 1쌍의 전극(3)이 전원(4)에 전기적으로 연결되지 않는 스위치(S)의 오프 상태이면, 상기 네마틱 액정(2)이 초기 상태로 배열된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 스위치(S)의 온 상태로 전환됨으로써 상기 네마틱 액정(2)에 외부의 전기장(E)이 인가되는 경우, 상기 네마틱 액정(2)의 방향자가 상기 전기장(E)의 세기에 따라 재배열된다.However, in the liquid crystal optical fiber device according to the prior art, as shown in FIG. 1A, when no external electric field is applied to the nematic liquid crystal 2 in the hollow optical fiber 1, that is, the optical fiber 1 is interposed therebetween. The nematic liquid crystal 2 is arranged in an initial state when the pair of electrodes 3 arranged oppositely are in an off state of the switch S which is not electrically connected to the power source 4. As shown in FIG. 1B, when an external electric field E is applied to the nematic liquid crystal 2 by being switched to the on state of the switch S, the director of the nematic liquid crystal 2 has an electric field. Rearranged according to the strength of (E).
그러나, 종래의 액정 광섬유 소자에서는 상기 광섬유(1)에 어떠한 물리적인 변형을 가해지지 않았기 때문에 상기 광섬유(1)의 클래딩 영역에 격자 구조가 형성되어 있지 않다. 그 결과, 종래의 액정 광섬유 소자는 외부의 균일한 전기장(E)의 조건 하에서 광모드 결합에 의한 필터로서의 기능을 갖지 못한다.However, in the conventional liquid crystal optical fiber device, since no physical deformation is applied to the optical fiber 1, no lattice structure is formed in the cladding region of the optical fiber 1. As a result, the conventional liquid crystal optical fiber element does not have a function as a filter by optical mode coupling under the condition of an external uniform electric field E.
도 4는 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자 제조 방법에 적용된, 중공형 광섬유에 물리적인 변형을 가하여 격자 구조를 형성하는 장치를 나타낸 개략 구성도이다.4 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for forming a lattice structure by applying physical deformation to a hollow optical fiber, which is applied to a method for manufacturing an optical fiber grating element using a liquid crystal according to the present invention.
도 4를 참조하면, 제조 장치(200)는 방전 발생부(210) 및 변형 위치조절부(220) 및 이들을 제어하는 제어부(230)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 방전 발생부(210)와 상기 변형 위치 조절부(220)는 중공형 광섬유(10)의 일측 선단부에 장력을 인가할 수 있도록 하나의 수직선 상에 위치하고, 상기 변형 위치 조절부(220)가 상기 방전 발생부(210) 상에 위치한다.Referring to FIG. 4, the manufacturing apparatus 200 includes a discharge generating unit 210, a deformation position adjusting unit 220, and a control unit 230 controlling them. In addition, the discharge generating unit 210 and the deformation position adjusting unit 220 is located on one vertical line to apply tension to one end of the hollow optical fiber 10, the deformation position adjusting unit 220 Is positioned on the discharge generator 210.
여기서, 상기 방전 발생부(210)에서는 전원(211)이 1쌍의 전극봉(213)에 고 전압(V)을 인가하고, 1쌍의 전극봉(223)이 수평으로 임의의 이격 간격을 두고 대향하여 배치된다. 또한, 상기 광섬유(10)가 1쌍의 전극봉(223) 사이의 공간을 수직으로 가로지르며 상기 광섬유(10)의 하측 선단부에 장력이 가해진다. 따라서, 상기 전극봉(213) 사이에 방전(215)이 발생하면서 상기 광섬유(10)에 물리적인 변형이 가해질 수 있다.Here, in the discharge generator 210, the power supply 211 applies a high voltage V to the pair of electrodes 213, and the pair of electrodes 223 horizontally face each other at an arbitrary interval. Is placed. In addition, the optical fiber 10 vertically traverses the space between the pair of electrode rods 223 and a tension is applied to the lower front end portion of the optical fiber 10. Therefore, a physical deformation may be applied to the optical fiber 10 while the discharge 215 is generated between the electrode rods 213.
또한, 변형 위치 조절부(220)에서는 광섬유 지지부(fiber holder)(221)가 광섬유(10)를 지지하고, 모터와 같은 구동부(223)가 상기 광섬유 지지부(221)와 체결되어 상기 광섬유(10)의 위치를 정밀 제어한다. 따라서, 상기 광섬유(10)에 상기 물리적인 변형이 주기적으로 또는 비주기적으로 가해질 수 있다.In addition, in the deformation position adjusting unit 220, an optical fiber holder 221 supports the optical fiber 10, and a driving unit 223, such as a motor, is fastened to the optical fiber support 221 to the optical fiber 10. Precisely control the position of the. Thus, the physical deformation may be periodically or aperiodically applied to the optical fiber 10.
이와 같이 구성된 제조 장치(200)의 경우, 상기 광섬유(10)가 상기 1쌍의 전극봉(213) 사이에 배치되어 있는 상태에서 상기 전원(211)으로부터 고 전압이 상기 전극봉(213)에 인가되면, 상기 전극봉(213) 사이에 전기적인 방전(215)이 발생한다. 이에 따라, 상기 광섬유(10)의 클래딩 영역에 부분적인 용융(partial melting)이 생기면서 물리적인 변형이 가해진다.In the manufacturing apparatus 200 configured as described above, when a high voltage is applied from the power supply 211 to the electrode 213 while the optical fiber 10 is disposed between the pair of electrode 213, An electrical discharge 215 is generated between the electrode rods 213. Accordingly, partial melting occurs in the cladding region of the optical fiber 10 and physical deformation is applied thereto.
이때, 상기 변형의 크기는 상기 전극봉(213)에 인가되는 전압의 크기 및 상기 전압의 반복 인가 회수에 의해 결정된다. 상기 광섬유(10)의 변형 위치는 상기 구동부(223), 예를 들면 모터에 의해 조절될 수 있다.At this time, the magnitude of the deformation is determined by the magnitude of the voltage applied to the electrode 213 and the number of times of repeated application of the voltage. The deformation position of the optical fiber 10 may be adjusted by the driving unit 223, for example, a motor.
더욱이, 상기 제어부(230), 예를 들어 개인용 컴퓨터가 상기 방전 발생부(210) 및 상기 변형 위치 조절부(220)를 정밀 제어함으로써 상기 광섬유(10)의 물리적인 변형을 다양한 형태로 용이하게 제조할 수 있다.In addition, the controller 230, for example, a personal computer, precisely controls the discharge generator 210 and the deformation position controller 220 to easily manufacture the physical deformation of the optical fiber 10 in various forms. can do.
한편, 본 발명에서는 상기 전극봉(213)의 이격 간격이 약 2.8mm이고, 상기 전극봉(213)에 인가된 전압이 1.35KV이다. 이때, 상기 광섬유(10)의 클래딩 영역에 형성된 격자 주기가 80μm이고, 상기 광섬유(10)의 제조된 총 길이가 약 1.1cm이다. 따라서, 본 발명은 이와 같은 공정을 수차례 반복함으로써 격자가 균일한 조건을 갖고 분포하도록 제조할 수가 있다.On the other hand, in the present invention, the separation interval of the electrode 213 is about 2.8mm, the voltage applied to the electrode 213 is 1.35KV. At this time, the lattice period formed in the cladding region of the optical fiber 10 is 80μm, the total length of the optical fiber 10 is about 1.1cm. Therefore, the present invention can be manufactured so that the lattice is distributed with uniform conditions by repeating such a process several times.
한편, 본 발명은 화학적인 식각 공정을 이용하여 상기 격자 구조를 상기 광섬유(10)의 클래딩 영역에 형성할 수 있다. 설명의 편의상 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.Meanwhile, the present invention may form the lattice structure in the cladding region of the optical fiber 10 by using a chemical etching process. For convenience of description, description thereof will be omitted.
도 5는 본 발명에 의한 액정을 이용한 광섬유 격자 소자의 전기적으로 제어 가능한 광투과 억제 필터로서의 특성을 측정하기 위한 장치를 나타낸 개략 구성도이다.Fig. 5 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for measuring the characteristics of the optical fiber grating element using the liquid crystal according to the present invention as an electrically controllable light transmission suppression filter.
도 5를 참조하면, 측정 장치(300)는 도 2b에서 이미 설명한 바와 같이, 광투과 특성이 입사광의 편광에 의해 영향을 받기 때문에 광대역 광원(310)으로부터 출력된 편광되지 않은 광(311)이 선형 편광자(320)를 거쳐 선형 편광된 광(321)으로 변화되고, 상기 선형 편광된 광(321)이 상기 광섬유(10)를 도파하고 난 후 스펙트럼 분석기(330)에 의해 분석되도록 구성된다.Referring to FIG. 5, as described above with reference to FIG. 2B, since the light transmitting property is affected by the polarization of the incident light, the unpolarized light 311 output from the broadband light source 310 is linear. The light is converted into linearly polarized light 321 via the polarizer 320, and the linearly polarized light 321 is configured to be analyzed by the spectrum analyzer 330 after guiding the optical fiber 10.
또한, 1쌍의 전극(30)이 균일한 전기장을 인가할 수 있도록 상기 광섬유(10)의 중심축에 평행하며 상기 광섬유(10)를 사이에 두고 대향하여 배치된다. 상기 전극(30)이 전원(40)에 전기적으로 연결된다.In addition, the pair of electrodes 30 are disposed to be parallel to the central axis of the optical fiber 10 so as to apply a uniform electric field, and face each other with the optical fiber 10 interposed therebetween. The electrode 30 is electrically connected to the power source 40.
여기서, 상기 광섬유(10)는 도 4의 제조 장치(200)에 의해 제조된 중공형 광섬유이다. 물론, 상기 광섬유(10)의 중공부(도시 안됨)에 예를 들어 네마틱 액정(ZLL 1800-100, E. Merck)(도시 안됨)이 주입되어 배향된다.Here, the optical fiber 10 is a hollow optical fiber manufactured by the manufacturing apparatus 200 of FIG. Of course, a nematic liquid crystal (ZLL 1800-100, E. Merck) (not shown) is injected into the hollow portion (not shown) of the optical fiber 10 and is oriented.
한편, 1550nm의 파장에서의 색 분산을 고려하여 볼 때, 상기 네마틱 액정의 이상 굴절율(extraordinary refractive index)과 정상 굴절율(ordinary refractive index)이 각각 1.5325이고, 1.466인 것이 바람직하다.On the other hand, in consideration of color dispersion at a wavelength of 1550 nm, the extraordinary refractive index and the normal refractive index of the nematic liquid crystal are preferably 1.5325 and 1.466, respectively.
이와 같이 구성된 측정 장치(300)에서는 1쌍의 전극(30)에 전원(40)의 전압이 도면에 도시된 바와 같이 인가되었을 때, 상기 광대역 광원(310)으로부터 출력된 편광되지 않은 광(311)이 상기 선형 편광자(320)를 거치면서 상기 선형 편광된 광(321)으로 변형된다. 이어, 상기 광(321)이 상기 광섬유(10)를 거쳐 도파된 후 상기 광의 스펙트럼이 상기 스펙트럼 분석기(330)에 의해 분석된다.In the measuring device 300 configured as described above, when the voltage of the power source 40 is applied to the pair of electrodes 30 as shown in the drawing, the unpolarized light 311 output from the broadband light source 310 is provided. The linear polarizer 320 is transformed into the linearly polarized light 321. Subsequently, after the light 321 is guided through the optical fiber 10, the spectrum of the light is analyzed by the spectrum analyzer 330.
이때, 상기 광섬유(10)를 도파하는 광(321)이 상기 광섬유(10) 내의 네마틱 액정에 인가된 전기장(도시 안됨)의 방향과 평행하면, 광투과 억제 필터로서의 특성이 향상된다.At this time, when the light 321 guiding the optical fiber 10 is parallel to the direction of an electric field (not shown) applied to the nematic liquid crystal in the optical fiber 10, the characteristics as the light transmission suppression filter are improved.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 제조된 본 발명의 액정을 이용한 광섬유 격자 소자(100)에 전원(40)의 세기를 변화시켜가면서 상기 광섬유 격자 소자(100)의광투과 특성을 상기 측정 장치(300)의 스펙트럼 분석기(330)로 분석하였다. 이때, 상기 광섬유 격자 소자(100)에 60V의 일정한 전압을 인가하면서 스펙트럼의 변화를 측정하고 그 결과를 도 6a에 나타내었다. 또한, 상기 광섬유 격자 소자(100)에 전압을 0V, 21.4V, 42,8V, 60V, 64.2V 및 68.5V의 순서로 증가시키면서 스펙트럼의 변화를 각각 측정하고 그 결과를 도 6b에 나타내었다. 이때, 중공형 광섬유(10)에 형성된 장주기 광섬유 격자 소자(100)는 특정한 파장 대역에서 도파하는 코어 모드와 클래딩 모드간에 모드 결합이 생성됨으로써 광투과 억제 필터로서 작용한다.On the other hand, while varying the intensity of the power supply 40 to the optical fiber grating element 100 using the liquid crystal of the present invention prepared as shown in Figure 2 the light transmission characteristics of the optical fiber grating element 100 is measured device 300 ) Was analyzed with a spectrum analyzer (330). At this time, while applying a constant voltage of 60V to the optical fiber grating device 100, the change in the spectrum was measured and the results are shown in Figure 6a. In addition, while changing the voltage of the optical fiber grating element 100 in the order of 0V, 21.4V, 42,8V, 60V, 64.2V and 68.5V, the change in the spectrum was measured and the results are shown in FIG. 6B. At this time, the long period optical fiber grating element 100 formed in the hollow optical fiber 10 acts as a light transmission suppression filter by generating a mode coupling between the core mode and the cladding mode that guide in a specific wavelength band.
즉, 도 6a에 도시된 바와 같이, 60V의 전압이 상기 네마틱 액정에 인가될 경우, 상기 광섬유 격자 소자(100)는 광대역 입사광에 대해 1562nm와 1575nm 사이의 파장 대역에서 광투과도가 12dB 정도 억제된 필터의 특성을 나타낸다. 상기 광섬유 격자 소자(100)의 코아 영역은 인가된 전기장의 세기에 따라 광굴절율 값이 변하므로 광투과 스펙트럼의 모드 결합 조건이 변하게 된다.That is, as shown in FIG. 6A, when a voltage of 60 V is applied to the nematic liquid crystal, the optical fiber grating device 100 suppresses light transmittance of about 12 dB in a wavelength band between 1562 nm and 1575 nm with respect to broadband incident light. It shows the characteristics of the filter. In the core region of the optical fiber grating device 100, the optical refractive index value changes according to the intensity of the applied electric field, thereby changing the mode coupling condition of the light transmission spectrum.
한편, 도 5에 있어서 입사된 광은 네마틱 액정에 인가된 전기장의 방향과 평행하므로 전기장의 세기가 증가함에 따라 유효 광굴절율이 증가한다. 따라서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 인가된 전기장의 세기가 증가함에 따라 광투과 특성이 억제되는 파장 대역이 장파장대로 이동하게 된다. 그러므로, 본 발명의 필터는 광투과 특성을 전기적으로 용이하게 제어할 수가 있다.Meanwhile, since the incident light in FIG. 5 is parallel to the direction of the electric field applied to the nematic liquid crystal, the effective light refractive index increases as the electric field intensity increases. Therefore, as shown in FIG. 6B, as the intensity of the applied electric field increases, the wavelength band in which light transmission characteristics are suppressed shifts to the longer wavelength band. Therefore, the filter of the present invention can easily control the light transmission characteristics electrically.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 액정을 이용한 광섬유 격자 소자의중공형 광섬유의 클래딩 영역에 적절한 변형을 가하여줌으로써 외부의 전기장이 인가되지 않을 경우에도 상기 광섬유 격자 소자를 광투과 억제 필터로서 작용시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 광투과 스펙트럼을 외부의 전기장의 세기에 따라 넓은 파장 범위에서 조절할 수가 있다.As described above, the present invention can make the optical fiber grating element act as a light transmission suppression filter even when an external electric field is not applied by applying an appropriate deformation to the cladding region of the hollow fiber of the optical fiber grating element using liquid crystal. have. Therefore, the present invention can adjust the light transmission spectrum in a wide wavelength range according to the intensity of the external electric field.
또한, 본 발명은 광투과 스펙트럼을 전기적으로 능동적으로 제어할 수 있으므로 상기 광섬유 격자 소자를 적용한 광통신 시스템의 환경 조건에 따라 필터의 특성을 최적화시킬 수가 있다.In addition, since the present invention can electrically and actively control the light transmission spectrum, it is possible to optimize the characteristics of the filter according to the environmental conditions of the optical communication system to which the optical fiber grating device is applied.
또한, 본 발명은 상기 광섬유의 클래딩 영역에 물리적인 변형을 가함으로써 유도되는 강한 모드 결합 특성을 이용함으로써 광섬유 격자 소자의 크기를 축소시킬 수가 있고 아울러 광 안정성을 향상시킬 수가 있다.In addition, the present invention can reduce the size of the optical fiber grating element and improve the optical stability by using the strong mode coupling characteristics induced by applying a physical deformation to the cladding region of the optical fiber.
더욱이, 본 발명은 액정으로서 광학적 이방성을 갖는 네마틱 액정을 사용하므로 상기 광섬유 격자 소자를 광통신 시스템에서 필요한 편광 조절용 소자로서 다양한 형태로 응용 가능하다. 또한, 전기적으로 제어되는 가변 광투과 억제 필터는 EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)의 광이득 평탄화 필터와 같은 광통신 분야 및 광센서 분야에 응용될 수 있다.Furthermore, since the present invention uses nematic liquid crystals having optical anisotropy as liquid crystals, the optical fiber grating device can be applied in various forms as a polarization control element required in an optical communication system. In addition, the electrically controlled variable light transmission suppression filter can be applied to the optical communication field and the optical sensor field, such as the optical gain flattening filter of the Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA).
한편, 본 발명은 하나의 특정한 실시예를 도시하여 설명하였지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구의 범위 안에 속한다 해야 할 것이다.On the other hand, the present invention has been described by showing one specific embodiment, it is obvious that the present invention may be variously modified and implemented by those skilled in the art. Such modified embodiments should not be understood individually from the technical spirit or point of view of the present invention and these modified embodiments should fall within the scope of the appended claims of the present invention.
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