KR20040036132A - 스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 방법과 인출 장치 - Google Patents

스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 방법과 인출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 모재를 사용한 광섬유 제조 방법에 있어서, 상기 광섬유 모재 끝단을 가열하여 용융시켜서 인출하는 용융·인출 과정과, 기 설정된 스핀 펑션에 따라 상기 용융·인출되는 광섬유에 스핀을 주는 단계를 스핀 주기를 달리 하면서 다수회 수행하는 스핀 생성 과정으로 구성된다.

Description

스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 방법과 인출 장치{OPTICAL FIBER DRAWING METHOD AND APPARATUS USING SPIN-AMPLITUDE MODULATION}
본 발명은 광섬유의 편광 분광 모드(Polariztion Mode Dispersion)를 최소화시키기위한 광섬유 제작 방법에 관한 것으로서, 특히, 스핀 펑션에 의한 일정한 주기를 갖는 광섬유의 제작 방법에 관한 것이다.
편광 모드 분산 현상은 광섬유의 기하학적인 결함등으로 인하여, 광섬유 내를 진행하는 축퇴된(Degenerated) 광신호의 편광 모드간 진행 속도가 시간 지연 (Differential Group Delay) 현상이 발생하는 것을 의미하며, 이러한 시간 지연 현상은 광신호를 구성하는 각각의 구성 편광 모드간 상호 중첩되는 요인으로 작용한다.
이러한 편광 모드 분산 현상의 요인으로는 1) 광섬유를 구성하는 재질 자체의 굴절률 특성에 의한 재료 분산과, 2)광섬유에 가해지는 장력, 축압 및 온도 등의 외부 변화에 의한 열응력 등의 기타 다양한 응력에의하여 광섬유에 가해진 기하학적 구조 결함 등이 있다.
상기 편광 모드 분산은 광신호의 스펙트럼폭을 확대시키고, 광신호간 상호 간섭의 요인으로 작용하여, 장거리 전송 및 일정한 광통신 파장 대역을 다분할하는 파장 분할 다중화 방식의 광통신망의 제한 요인으로 작용한다.
통상적으로, 상술한 편광 분산 모드 분산 현상을 최소화시키기 위하여 광섬유 인출중에, 상기 광섬유에 스핀을 주는 방법으로는 단일 주기의 스핀 펑션으로 광섬에 스핀을 주는 방법과 다소 상이한 변화율을 가지고 광섬유에 스핀을 주는 방법이 있다. 광섬유에 스핀 인가 정도는 흔히 단위 길이당 꼬임수(turns/m)로 나타내는데, 종래에 스핀수가 증가와 편광모드 분산의 감소폭에 대한 상관관계에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.
광섬유에 스핀을 주는 방법으로서, 스핀의 진폭(Amplitude)과 주기를 모듈레이션 시키는 방법에 관하여, 대니 엘. 헨더슨(Dany L. Henderson) 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제5,943,466호(FREQUENCY AND AMPLITUDE MODULATED FIBER SPINS FOR PMD REDUCTION)에서는 진폭과 주기를 사인 펑션등에 의하여 모듈레이션한 사인함수 형태의 스핀 펑션에 대하여 개시하고 있다.
통상적으로, 종래의 스핀 주기와 진폭을 변조시키는 방법에는 진폭과 주기를 사인 함수에 따라서 변조시킨다.
수학식 1에서의 α(z)는 광섬유에 인가되는 스핀의 주기와 진폭을 나타내는 스핀 펑션(Spin function)으로서, α0는 스핀 진폭(Spin ampltuede)을 의미하며 미터당 턴수를 나타내며f0는 중심 주파수를, 또한,fm는 변조 주파수를 , Λ는 변조 주기를 나타낸다. z는 광섬유의 인출 방향으로의 길이를 의미한다.
수학식 1은 주기항에 fmsin(2πz/Λ)의 사인 함수를 f0z 항에 합하여, 주기를 변조하였음을 알 수 있다.
수학식 2를 의미하는 그래프를 나타내는 도1 내지 도 2를 참조하면, 도 1은 높은 차수의 주파수 변조의 경우를 나타내며, 도2 는 낮은 차수의 주파수 변조를 나타낸다. 또한, 도1과 도 2는 사인 함수의 진폭 변조를 나타낸다. 즉, 수학식 2의 [α0sin(2πz/Λ)]항에 의하여 변조됨을 의미한다. 도 1, 도 2는 광섬유 단위 길이당 턴수, 즉 꼬임수를 사인 함수 형태로 변조한 경우의 스핀 펑션을 그래프를 나타낸다.
이러한, 종래의 진폭과 주기를 사인 함수에 따라 변조하는 방식은 거리에 따른 1차 편광 모드분산을 최소화시킨다.
그러나, 종래의 사인 함수를 이용한 주기와 진폭을 변조하는 방법의 스핀 펑션은 노미널(Noimal) 편광 모드 분산은 감소하나 편향(Deviation) 감소가 명확하지 않다는 문제가 존재한다. 즉, 편광 모드 분산의 정의상 하나의 광신호를 구성하는 각각의 편광 모드간의 시간 지연(Differential Group Delay)이 특정한 광통신 선로상의 특정 구간 또는 광통신 파장 대역의 특정 파장에서 특히 크게 발생한다. 따라서, 종래에 널리 사용되는 파장 분할 다중화 통신망에 적용이 용이하지 않다.
본 발명의 목적은 거리에 따른 1차 편광 모드 분산뿐만 아니라, 파장에 따라 발생하는 2차 편광 모드 분산또한 적절히 제어 가능하도록 광섬유에 스핀을 주는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 방법은,
상기 광섬유 모재 끝단을 가열하여 용융시켜서 인출하는 용융·인출 과정과;
기 설정된 스핀 펑션에 따라 상기 용융·인출되는 광섬유에 스핀을 주는 단계를, 스핀 주기를 달리 하면서 다수회 수행하는 스핀 생성 과정으로 구성된다.
도 1은 종래의 스핀 펑션에 있어서 사인 함수에 의한 스핀 진폭 변조의 예를 나타내는 그래프,
도 2는 종래의 스핀 펑션에 있어서 사인 함수에 의한 스핀 진폭 변조의 다른 예를 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 사인 함수에 의한 스핀 주기가 변조된 다수의 사인 함수간의 중첩을 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명의 바른 실시예인 하나의 휠을 구비하여 광섬유에 다수의 스핀을 형성시키는 장치를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예로서, 두 개의 휠을 구비하여 광섬유에 둘 이상의 스핀을 형성시키는 장치를 나타내는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 각각의 주기와 진폭을 갖는 스핀 펑션에 따른 상이한 주기와 진폭의 스핀을 광섬유상에 형성시킨다. 이를 수학식으로 나타내면, 하기한 수학식 3으로 표현 가능하다.
α(z)는 광섬유에 인가되는 스핀의 주기와 진폭을 나타내는 스핀 펑션(Spin function)으로서, α0는 스핀 진폭(Spin ampltuede)을 의미하며 미터당 턴수를 나타내며f0는 중심 주파수,fm는 변조 주파수, Λ는 변조 주기를 나타낸다. z는 광섬유의 인출 방향으로의 길이를 의미한다.
수학식의 좌항인 α0sin(2πf0z)는 광섬유에 인가되는 1차 스핀 펑션을 의미하며, 우항인 α1sin(2πf1z)는 상기 1차 스핀 펑션의 조건으로 꼬아진 광섬유 위에 다시 다른 주기와 진폭의 2차 스핀 펑션으로 꼬아줌을 의미한다. 즉, 1차 스핀 펑션에 부합되는 초기 각도를 갖는 휠에 의하여 스핀이 주어진 광섬유상에 다시 다른 주기와 진폭을 갖는 2차 스핀 펑션에의하여 스핀이 주어짐을 의미한다. 즉, 수학식 3은 스핀 주기와 진폭을 달리 하는 두 개의 스핀을 광섬유상에 형성함을 의미한다.
도 3은 두 개의 서로 상이한 스핀 펑션과 이의 중첩을 나타낸다. 예를 들어, 기설정된 주기를 갖는 제1 스핀 펑션(320)과, 상기 제1 스핀 펑션과 상이한 주기의 제2 스핀 펑션(330)의 중첩에 의하여 결과적으로 광섬유에는 비주기적인 스핀이 형성되게 된다.
수학식 4는 다수의 상이한 주기와 진폭을 갖는 스핀 펑션을 결합을 나타낸다.
즉, 스핀 펑션의 수학식 4는 αn과 fn항이 n=1부터 m까지의 기설정된 차수까지의 합으로 나타남을 알 수 있다. 결과적으로 서로 상이한 주기와 진폭을 갖는 다수의 스핀 펑션에 따라서 상기 광섬유상에 다수의 스핀이 형성됨을 의미한다.
광섬유 모재를 사용한 광섬유 제조 방법은 용융·인출 과정과, 기 설정된 스핀 펑션에 따라 상기 용융·인출되는 광섬유에 스핀을 주는 단계에 있어서, 스핀 주기를 달리 하면서 다수회 수행하는 스핀 생성 과정으로 구성된다.
상기 용융·인출 과정은 상기 광섬유 모재를 회전시키면서, 상기 광섬유 모재 끝단을 가열하여 용융시킨다.
상기 스핀 생성 과정은 기 설정된 스핀 펑션에 따라 상기 용융·인출되는 광섬유에 스핀을 주는 단계를 스핀 주기를 달리 하면서 다수회 수행한다.
또한, 상기 스핀 생성 과정은 상기 광섬유와 그 인출축이 이루는 각도를 변화시키면서, 기설정된 스핀 펑션에 따라 상기 광섬유에 스핀을 줄 수 있으며, 인출축의 각도 변화는 상기 광섬유가 인출되는 경로상의 소정의 범위에서 이루어진다.
즉, 수학식 3의 경우에는 서로 상이한 주기와 진폭을 갖는 스핀 펑션에 따라서, 광섬유에 서로 상이한 두개의 스핀을 형성시킨다. 또한, 수학식 4와 같이 두 개 이상, 다수의 스핀 펑션에 따라서 다수의 스핀을 광섬유에 형성시킨다.
상기 광섬유에 형성되는 각각의 스핀들은 상호 다른 주기와 진폭을 갖는 비대칭 구조이다.
본 발명의 실시예로서 도 4는 단일 휠(520)을 사용하여 광섬유에 다양한 주기의 스핀을 형성하는 장치를 나타내는 평면도이다. 광섬유 인출축(511)의 수직한 좌우 방향으로 다양한 기울기의 경사축(512,513)으로 조정이 가능한 휠(511)을 사용한다. 상기 휠(520)은 수학식 4를 구성하는 각각의 스핀 펑션에 따른 다양한 기울기의 경사축(512,513)으로 조정 가능하며, 상기 광섬유에 스핀을 형성시키게 된다. 즉, 휠(520)을 상이한 각도의 경사축(512,513)으로 조정하여, 상기 광섬유에 주기와 진폭이 상이한 다수의 스핀을 주게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예을 나타내는 도 5와 수학식 4를 참조하면, 스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 장치는 상기 광섬유에 기설정된 주기와 진폭을 갖는 스핀을 주는 제1 휠(631)과, 상기 광섬유에 상기 제1 휠(631)과 상이한 주기와 진폭의 스핀을 주는 제2 휠(630)을 포함하여 구성된다.
예를들어, 수학식 3의 좌항인 α0sin(2πf0z) 항의 주기와 진폭 변조가 가능한 범위내에서 상기 제1 휠(631)은 인출축(610)에 대하여 수직한 좌우 방향으로 다양한 각도의 경사축으로 조정가능하며, 상기 경사축에 따라 기설정된 주기와 진폭을 갖는 스핀을 상기 광섬유에 주게 된다.
상기 제2 휠(630)은 수학식 3의 α1sin(2πf1z)항의 주기와 진폭 변조가 가능한 범위내에서 상기 광섬유에 상기 제1 휠(631)에 의해 형성된 스핀과 상이한 주기와 진폭을 갖는 스핀을 주게된다.
즉, 제1 휠과 제2 휠 각각은 서로 상이한 경사축을 갖도록 조정가능하며, 이에따라 주기와 진폭의 스핀을 광섬유에 주게된다.
더불어, 수학식 4와 같이 다수의 스핀 펑션의 합으로 그 구성이 가능하며, 수학식 4를 이루기 위하여 다수의 휠을 더 구비하여 구성 가능하다.
본 발명은 광섬유 인출 과정중에, 서로 상이한 주기와 진폭을 갖는 스핀 펑션에 의한 비대칭 구조의 스핀을 광섬유에 다수회 반복하여 인가함으로서, 1차 편광 모드 분산 및 2차 편광 모드 분산의 감소된다. 또한, 2차 이상의 고차 편광 모드 분산 특성의 향상이 가능한다.

Claims (5)

  1. 광섬유 모재를 사용한 광섬유 제조 방법에 있어서,
    상기 광섬유 모재 끝단을 가열하여 용융시켜서 인출하는 용융·인출 과정과;
    기 설정된 스핀 펑션에 따라 상기 용융·인출되는 광섬유에 스핀을 주는 단계를 스핀 주기를 달리 하면서 다수회 수행하는 스핀 생성 과정으로 구성됨을 특징으로 하는 스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유에 스핀을 주기위한 스핀 펑션에 있어서, 각기 상이한 진폭과 주기로 상기 광섬유에 비대칭 구조의 스핀이 가해짐을 특징으로 하는 스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스핀 생성 과정은 하기 수학식 5와 같이 서로 상이한 주기와 진폭을 갖는 1차 이상의 스핀 펑션의 조합으로 표현됨을 특징으로 하는 스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 방법.
    (α(z): 스핀 펑션의 합, αn: 스핀의 진폭, fn: 스핀의 주기, z :광섬유의 길이, m : 2 이상의 자연수로서, 좌변의 스핀 펑션의 차수)
  4. 광섬유 모재를 사용한 광섬유 제조 방법에 있어서,
    상기 광섬유 모재 끝단을 가열하여 용융시켜서 인출하는 용융·인출 과정과;
    상기 광섬유와 그 인출축이 이루는 각도를 변화시키면서, 기설정된 스핀 펑션에 따라 상기 광섬유에 스핀을 주는 스핀 생성 과정으로 구성됨을 특징으로 하는 스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 방법.
  5. 광섬유에 스핀을 형성하기 위한 장치에 있어서,
    상기 광섬유에 기설정된 주기와 진폭을 갖는 스핀을 주는 제1 휠과;
    상기 광섬유에 상기 제1 휠과 상이한 주기와 진폭의 스핀을 주는 제2 휠을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 스핀 진폭 변조를 이용한 광섬유 인출 장치.
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