KR20050011866A - Ｇｉ ｐｏｆ의 둥근 끝처리를 통한 ｎａ 조절 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GI POF(Graded Index Plastic Optical Fiber)의 둥근 끝처리를 통한 NA(Numeral Aperture)조절 방법에 대한 것이며, 보다 상세하게는 GI POF의 말단을 오목하게 또는 볼록하게 둥근 형태로 처리하여 NA를 조절하는 방법에 대한 것으로, 본 발명에 의해 GI형 POF에 있어서 부가적인 광학계를 사용하지 않고 광학 커플링 효율을 증가시켜 시스템의 부피를 감소시키는 것이 가능하다.

Description

ＧＩ ＰＯＦ의 둥근 끝처리를 통한 ＮＡ 조절 방법 {NA Controlling Method through Round-Treatment of GI POF}

본 발명은 그레이디드 인덱스(Graded Index, 이하 'GI'라 함) 플라스틱 광섬유(Plastic Optical Fiber, 이하 'POF'라 함)의 둥근 끝처리를 통한 개구수(Numerical Aperture, 이하 'NA'라 함) 조절방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 POF의 끝부분을 볼록하게 또는 오목하게 둥글게 처리함으로서 GI POF과 광원 또는 광검출기 간의 광학 커플링(optical coupling) 효율을 증대시키는 방법에 관련된다.

기존에 상용화된 스텝 인덱스(step index, 이하, 'SI'라 함) POF의 경우 0.4∼0.5의 큰 NA를 지니고 있다. NA는 전송 할 수 있는 빛을 받아 들이는 공간적인 각이 커서 광원으로부터 광섬유로 들어가는 광량이 증가하여 입력 광손실을 감소시켜 전송 거리를 증가시키는 효과를 가져온다. 하지만 반대로 광섬유로부터 빛이 발산하는 경우 NA가 커서 광검출기에 빛을 모아주려면 렌즈를 사용하여 빛의 경로를 바꾸어 준다. 렌즈를 사용하게 되면 광학계가 존재해야 하기 때문에 공간적으로 시스템 부피 증가를 초래한다.

GI POF는 SI POF와 달리 가운데에서 외경 방향으로 가면서 굴절률이 점차적으로 감소하는 경향을 가지는데 모재 상태에서 수직으로 얇게 자르면 자체로서 렌즈 역할을 하여 GRIN 렌즈로서 여러 용도로 사용된다. GI POF는 광섬유 내 위와 같은 굴절률 분포 특성으로 인해 같은 전송 거리라도 디지털 신호에서 신호 폭이 거리가 증가하여도 크게 변하지 않기 때문에 대용량의 정보를 전송할 수 있다. 이에 반해 SI POF는 거리가 증가 할수록 신호 폭이 증가하여 전송 용량이 급격하게 감소하는 단점이 있다. 하지만 GI POF는 NA가 0.2∼0.3 정도로 SI POF에 비해 적어 대용량의 전송을 하기에 불리하다. 이는 기존 상용화된 시스템에서 SI POF 대신 GI POF를 사용하기 위해서는 렌즈를 사용하는 광학계가 필요하다는 것을 의미한다.FITH(Fiber In The Home) 및 홈 네트워크로 사용되기 위해서는 광신호와 전기 신호를 변경해 주는 시스템이 요구되는데 집 내에서 사용하기 때문에 시스템의 크기가 적어야 한다. 하지만 위와 같은 문제로 인해 시스템 부피를 감소시켜 컴팩트화하는데 한계가 있게 된다.

한편 종래 유리 광섬유에 있어서 끝단을 처리하는 기술이 알려져 있는데, 그 하나는 코닝사에서 개발된 기술로 레이저나 열을 가해 유리 광섬유 끝을 둥글게 만들어 주는 방법이 있고, 다른 하나는 루벤틱스사에서 개발된 기술로 코어리스 섬유(coreless fiber)를 유리 광섬유에 붙이고 나노인젝터(nanoinjector)를 사용하여 코어리스 서유 끝 면에 UV 레진을 포함한 물질을 올려 놓고 나서 UV를 쬐어 경화시키는 방법이 있다.

그러나 코닝사의 기술의 경우 광섬유 끝단을 볼록하게 하는 것만 가능하며, 코아가 작아서 기하학적으로 곡률 반경을 변경하기가 쉽지 않고, 열 또는 레이저를 이용하므로 장비 가격이 매우 비싸다. 또한 광섬유로 입사시키는 경우는 오목 부분이 필요한데, 이것이 불가능하므로, 결국 입사시엔 광학계가 필요하여 시스템이 커지게 된다.

다음으로 루벤틱스 기술도 광섬유 끝단을 볼록하게 하는 것만 가능하고, 코어리스 섬유를 사용하기 때문에 사실상 광학계가 들어가서 부피가 커지는 문제가 있으며, 나노인젝터와 같은 고가의 장비를 사용하므로 경제적인 측면에서 가격 또한 비싸다.

한편 SI POF의 경우 종래에 수직으로 끝단을 처리하는 방법은 있었으나, 이를 오목하게 또는 볼록하게 처리하여 NA를 조절하는 방법에 대해서는 개시된 바 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, SI형에 비하여 NA가 작은 GI형 POF에 있어서 부가적인 광학계를 사용하지 않고 광학 커플링 효율을 증가시켜 시스템의 부피를 감소시키는 방법에 대한 것이다.

즉, 본 발명은 GI POF의 말단을 오목하게 또는 볼록하게 둥근 형태로 처리하여 NA를 조절하는 방법에 대한 것이다.

도 1은 열에 의해 POF 끝단을 처리하는 과정을 개략적으로 나타내는 도면,

도 2는 연마에 의해 POF 끝단을 처리하는 과정을 개략적으로 나타내는 도면,

도 3은 끝단 처리된 POF에서 광이 진행되는 경로를 예측하기 위한 도면,

도 4는 상기 도 3에서 24°로 입사된 광의 진행경로를 나타내는 도면,

도 5a 및 5b는 실시예에서 열에 의해 끝단처리된 POF의 형태를 나타내는 사진, 및

도 6a 내지 6c는 상기 실시예에서 끝단이 처리된 POF와 수직으로 처리된 POF에서 빛을 발산시키면서 촬영한 사진이다.

이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 GI POF의 끝단을 처리하는 방법으로는 크게 1) 열처리를 통한 방법과 2)연마를 통한 방법이 있다.

도 1은 열처리에 의해 POF의 끝단을 오목하게 둥근 형태로 처리하는 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

우선 POF(1) 끝단(2)을 오목하게 처리하기 위해서는 이에 대응하는 볼록면(3)을 구비한 기판(4)이 준비되어야 한다. 먼저, 열전달수단(6)의 일부분(5)을 기판(4)에 접촉시켜 기판(4)을 가열하고 난 후, POF(1)의 끝단(2)을 기판(4)의 평편한 면에 수직으로 접촉시켜 녹이는 과정을 거친다. 다음으로 전달된 열에 의해 녹은 POF(1) 끝단(2)을 기판(4)의 볼록면(3)에 접촉시켜 POF(1) 끝단(2)을 오목하게 처리할 수 있다.

한편 POF 말단을 열처리에 의해 볼록하게 형성하기 위해서는 상기와 동일한 과정으로 처리하되, 상기 기판에 형성된 볼록면을 오목면으로 하면 된다.

도 2는 연마에 의해 POF의 끝단을 오목하게 처리하는 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

우선 열처리의 경우와 동일하게 POF 끝단에 형성될 오목면과 대응하는 볼록면(13)을 구비한 기판(14)을 준비한다. 상기 기판(14)의 볼록면(13) 위에 연마 페이퍼(polishing paper: 15)를 올려놓고, POF(11)의 끝단(12)을 수직으로 한 상태에서 돌리면서 연마 페이퍼(15)에 문질러 오목한 면으로 형성할 수 있다. 이때 초기에는 입자크기가 12㎛ 정도인 거친 연마 페이퍼를 사용하고, 어느정도 연마가 진행된 이후에는 1㎛ 정도인 미세한 연마 페이퍼를 사용하면 보다 효율적으로 연마를 진행할 수 있다.

상기 연마 페이퍼를 대신하여 연마 파우더(polishing powder)를 사용하는 것도 가능하나, 기판상에 형성된 볼록면에서는 파우더가 흘러내려 연마효율이 떨어지는 경향이 있으므로, 연마 파우더는 기판상에 오목면이 형성되어 POF 끝단을 볼록면으로 가공하는 경우 보다 효율적으로 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 방법을 POF에 적용시키는 경우 광원으로부터 빛을 입사시키는 부분에는 오목형 둥근 끝처리를 적용하고, POF로부터 빛을 방사시킬 경우에는 볼록형 둥근 끝처리를 적용한다.

본 발명의 방법에 의해 처리된 POF는 광원과 광 검출기와의 광학 커플링이 부가적인 광학계의 도움 없이 가능하므로 시스템 부피를 감소시키는 효과가 있다.

본 발명의 방법은 기존의 SI POF용 시스템에도 적용 가능하나, GI POF의 경우 굴절률 분포가 존재하므로 SI POF에 비해 적은 곡률 변화로도 NA의 변화를 크게 가져 올 수 있다.

도 3에 도시되는 모의실험에 의해 본 발명에서 POF 말단을 둥글게 처리함으로서 발생하는 전송 성능의 개선을 확인할 수 있다. 도 3에서 점 광원으로부터 각도 θ로 방사한 빛이 둥글게 끝처리가 되어 있는 플라스틱 광섬유의 표면에 닫는 지점을 (α,β)로 정의하였다. 그 위치에서 오른쪽 그림에 보이는 바와 같은 굴절률 분포 상의 굴절률 값에 의해 입사가 이루어지고 나서 빛이 진행하면서 굴절률 분포를 따라 진행 경로가 변형 된다. 이때 광원으로부터 방사되는 빛의 각도를 θ, 광원과 광섬유 끝단과의 거리 s, 광섬유 코아 직경 r_C과 g값에 의해 결정되는 굴절률 분포 n(β), 플라스틱 광섬유의 둥근 끝처리 곡률 R이 결정되면, 하기 식에 의해 변형된 빛의 진행 경로를 알 수 있다.

도 4는 광원과의 거리 500μm에서 각도 24˚로 입사하였을 때 빛의 진행 경로를 상기 식에 의해 계산하여 나타낸 것이다. 500μm는 일반적으로 광원과 플라스틱 광섬유와의 커플링을 시킬 때 유효한 거리이다. 도 4로부터 빛이 경로(1)과 경로(2)를 지날 경우 광섬유 내의 경로 차이가 62μm에 불과하며, 이는 5×10¹²Hz(THz)에 해당하여, GHz 전송을 하는 시스템에서 신호 분산 문제가 없음을 확인하였다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.

실시예

도 1에 도시된 방법과 동일한 방법을 사용하여 직경 0.75mm의 POF의 끝단을 곡률 반경이 1mm가 되도록 볼록하게 그리고 오목하게 가공하였다. 이때 POF로는 코어와 클래드의 굴절율 차이가 0.02이고, 굴절율 분포에 해당하는 g값은 3.0이며, PMMA(폴리메틸메타크릴레이트)와 BzMA(벤질메타크릴레이트) 재질로 만들어진 GI형 POF를 사용하였다. 도 5a 및 5b는 이렇게 처리된 POF의 끝단을 나타내는 사진이다.

상기 처리된 POF의 광학적 성능을 평가하기 위하여, 650nm 광원을 동일한 조건으로 POF에 입사시켜 반대쪽 끝으로 방출되는 빛의 공간 분포를 촬영하여 이를 도 6a 및 6b로 나타내었다. 한편 도 6c는 비교를 위해서 끝단이 수직으로 처리된 POF에 동일한 광원을 입사시켜서 촬영할 사진이다.

끝처리를 수직으로 한 경우 도 6c의 경우 광섬유는 0.287의 NA 값을 갖는다. 끝처리를 볼록으로 한 도 6a의 경우 광섬유 끝에서 발산하는 빛이 끝단 앞에서 초점을 맺는 것을 확인하였다. 끝처리를 오목으로 한 도 6b의 경우 NA가 0.545로 도 6c의 경우에 비하여 배가까이 증가한 것을 확인하였다.

본 발명에 의해 GI형 POF에 있어서 부가적인 광학계를 사용하지 않고 광학 커플링 효율을 증가시켜 시스템의 부피를 감소시키는 것이 가능하다.

Claims (4)

1. GI POF의 말단을 오목하게 또는 볼록하게 둥근 형태로 처리하여 NA를 조절하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 열에 의해 상기 POF 말단을 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 연마에 의해 상기 POF 말단을 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 연마가 연마 페이퍼 또는 연마 파우더를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.