KR20050021470A

KR20050021470A - 광 필터

Info

Publication number: KR20050021470A
Application number: KR10-2005-7000625A
Authority: KR
Inventors: 모리타카즈아키; 나까무라마사히로
Original assignee: 쇼화덴센덴란가부시끼가이샤
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-03-07
Also published as: EP1526393A1; CN1672071A; TW200401910A; WO2004011971A1; CA2489319A1; US20050175284A1; EP1526393A4; JPWO2004011971A1

Abstract

SC형 광 PAD커넥터(4)는 수신신호의 강도를 허용범위내에서 조정하기 위해 Co 또는 V 등의 감쇠성 도펀트 및 입력광을 선택적으로 반사시키기 위한 Ge 또는 Sn 등의 감광성 도펀트가 함유되며, 길이 방향의 중앙 부분에 굴절율의 주기적 변화 구조부에 있는 챠프트 그레이팅이 형성된 코어와, 이 코어의 외주에 형성된 코어보다 굴절율이 작은 클래딩을 구비한 광 파이버(5)의 소정의 길이의 페룰에 보호되며, 하우징(7)내에 감합되며 일단은 수컷형의 접속자로 타단은 암컷형의 접속 단자로 형성된다.

Description

광 필터{OPTICAL FILTER}

본 발명은 광 도파로 구조를 지니는 광 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파장 다중 광통신 시스템에 사용되는 투과광의 레벨 조절기능 및 입력광의 파장 선택 반사기능 또는 파장 선택 차단기능을 지니는 광 필터에 관한 것이다.

현재 광통신 시스템에는 전송로의 대용량화 및 고기능화를 실현하기 위해, 1대의 광 파이버(optical fiber)에 복수의 파장의 신호광 및 시험광을 중첩하는 파장 다중 광전송 방식이 널리 채용되고 있다.

이 같은 방식에서는 송신측에 복수의 신호광 및 시험광을 결합시키는 광합파기(optical multiplexer)가 제공되며, 또한 수신측에는 역으로 복수의 신호광 및 시험광을 분리하는 광분파기(optical demultiplexer) 및 불필요한 신호광을 차단하는 광 블록킹 필터(optical blocking filter)가 제공된다.

예컨대, 현재의 광 선로에서는 통신 중에 있는 선로 또는 시스템의 감시, 시험이 가능하도록 통신광과는 다른 파장의 시험광을 사용하는 광선로 보수 지원 시스템을 실용화하고 있다. 종래의 이 같은 시스템에서는, 시험광을 차단하는데 사용되는 광대역(wide-band) 광 블록킹 필터로서 유전체 다층막 필터가 널리 사용되고 있다. 그러나, 이 유전체 다층막 필터는 실장시 광 필터와 결합시키기 위해서는 복잡하고, 조정 및 고정작업이 필요한 문제점이 있다. 따라서, 광 필터의 코어에 굴절율 격자를 형성한 파이버 그레이팅(Fiber Grating : 이하 "FG"라 칭함)의 하나의 형태 또는 파이버 블래그 그레이팅(Fiber Bragg Grating : 이하 "FBG"라 칭함)을 사용하는 FBG형 광 필터로 교체되고 있다. 이 광 필터는 무조정 실장이 가능하며 제조비가 저렴한 장점이 있다.

또한, 수신측에는 수신기가 허용 가능한 신호레벨 상한을 지니므로 수신기로 들어오는 신호의 강도를 허용 범위 내에서 조정할 목적으로 감쇠기 등의 수광레벨 조정기가 필요한 경우가 있다. 이와 같은 수광레벨 조정기로서 광통신 시스템에는 광고정 감쇠기가 일반적으로 사용되고 있으며, 광 파이버의 코어 또는 클래딩(cladding)에서 반사 발생을 억제하는 투과 신호를 감쇠 시키기 위해 코어 축에 대해 경사진 금속 박막층 또는 에어 갭(air gap)을 형성한 금속 박막 방식 또는 에어갭 방식의 광 고정 감쇠기 또는 광 파이버의 코어에 감쇠상 도펀트(dopant)를 첨가한 금속 도프 파이버(doped fiber)방식의 광 고정 감쇠기가 공지되어 있지만, 구조가 간단하고 특성 안정성 및 파워 내력이 높기 때문에, 금속 도프 파이버 방식의 광 고정 감쇠기가 현재 주류를 이루고 있다.

이상에서와 같이 파장 다중 전송 방식에는 수신측에서 광 블록킹 필터 또는 광 고정 감쇠기가 필요한 경우, 각각의 기능을 지니는 부품을 별개로 제작하고, 이들 부품을 접속하여 사용해야 하며, 이 경우 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 최근의 광통신 시스템에는 부품 또는 기기의 실장, 고밀도화 또는 저가화의 요청이 극대화하고 있으나, 종래의 복수의 부품을 접속하는 방식에는

a) 실장용량을 감소시키기가 곤란하다.

b) 제조 및 시공의 저가화가 곤란하다.

c) 접속점이 증가하여 접속손실이 증가하므로 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

이상의 문제들을 해결하는 수단으로서, FBG내장 SC형 광 커넥터와 금속 박막방식 또는 에어 갭 방식의 광 고정 감쇠기를 조합하여 광 감쇠기능을 지니는 커넥터를 형성하는 것이 고려되고 있지만, FBG내장 SC형 광 커넥터와 금속 박막방식 또는 에어 갭 방식의 광 고정 감쇠기를 조합한 경우에는 다음의 문제점이 초래된다.

즉, 금속 박막 방식 또는 에어 갭 방식의 광 고정 감쇠기에는 금속 박막층 또는 에어 갭을 페룰(ferrule)내의 광 파이버의 코어 및 글라의 거의 중심부에 형성할 필요가 있기 때문에 실장 가능한 FBG길이가 페룰의 약 절반 길이로 제한되며, 이에 따라 FBG의 설계 자유도가 저하되고, 광대역에서 더 높은 차단특성을 부여해야 하는 관란성이 있다.

본 발명은 이상의 문제를 해결하기 위한 것으로서, FBG내장 SC형 광 커넥터 등의 광 필터와 금속 도프 파이버방식의 광 고정 감쇠기를 조합시켜 FBG의 설계 자유도를 높이고, 광대역에서 더 높은 차단 특성을 갖는 광 감쇠 기능을 지니는 광 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

이상의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광 필터는 코어와, 그 코어의 외주에 형성되며 상기 코어 보다 굴절율이 작은 클래딩(cladding)을 포함하며, 상기 코어 부분에는 수신신호의 강도를 허용 범위내로 조정하기 위한 감쇠성 도펀트 및 자외선 조사에 의해 긴 수명의 굴절율 변화를 일으킬 수 있도록 감쇠성 도펀트를 함유할 수 있으며, 상기 코어 부분에 입력광을 선택적으로 반사시키기 위한 굴절율 격자를 형성 할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 다른 하나의 광 필터는, 코어와, 그 코어의 외주에 형성되며 상기 코어보다 굴절율이 작은 클래딩으로 구성되며, 상기 코어 부분에는 수신신호의 강도를 허용범위 내로 조정하기 위한 감쇠성 도펀트 및 자외선 조사에 의한 긴 수명의 굴절율 변화를 일으키기 위한 감광성 도펀트를 함유하며, 상기 코어 부분에 입력광을 선택적으로 반사시키기 위한 굴절율 격자를 형성하고, 소정의 길이를 갖는 광 파이버를 사용하며, 광 커넥터 등에 대한 적합성을 지닌다.

이상의 발명에 있어서, 코어 부분에 입력광을 선택적으로 반사시키기 위한 굴절율 격자를 코어의 축방향으로 격자간격이 연속적으로 변화하는 챠프트 그레이팅(chirped grating)으로 형성하고, 입사광의 파장에 대해 경사기능을 지니도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 굴절율 격자에는 FBG이외의 형태의 FG(예컨대, 슬랜트(slant)형 FG, 수퍼스트럭쳐(superstructure) FG, 또는 장주기형 FG)를 이용하는 것도 동일효과가 기대된다.

또한 이상의 발명에 있어서, 감쇠성 도펀트로서는 천이 금속 원소내의 Co, V, Ni, Ti, Fe, Cr 및 Mn 으로부터 선택될 수 있는 적어도 1종 이상의 원소를 사용하는 것이 바람직하며, 또한 감광성 도펀트로서는 B 및 A1 등의 주기율표 제 3B족, Ge, Sn 및 Pb 등의 주기율표 제 4B족에 나란한 N, P 및 Sb 등의 주기율표 제5B족에 속하는 원소로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소를 사용하는 것이 바람직하다.

상기의 감광성 도펀트는 코어에 함유되며 코어의 외주에 형성된 클래딩에도 함유됨으로써 기본 모드로부터 클래딩 모드로의 결합을 억제 할 수 있다.

본 발명에 따른 광 파이버는 리코팅(recoating)또는 하드 패키지 (hard package)(즉, 글래스 등의 기판에 접착 또는 반전(soldering)등에 의해 광 파이버를 고정하는 방법)에 의해 보호도 가능하지만, 그 외측에 배치된 페룰에 의해 보호되며, 그 양 단부에 수컷형 및 암컷형의 접속 단자가 형성된 광 PAD 커넥터 내부에 수용되어 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 광 PAD 커넥터는 SC형 커넥터(F04형 광 파이버 커넥터/JISC5973), MU형 광 커넥터(F14형 광 파이버 커넥터/JISC5983), FC형 광 커넥터(F01형 광 파이버 커넥터/JISC5970) 또는 LC형 광 커넥터 등의 규격화된 커넥터 내에 수용된 상태로 사용 할 수 있으므로 범용성이 확대될 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 광 필터의 하나의 실시예의 개략적 단면도.

도 2는 본 발명의 광 필터의 하나의 실시예의 입력광에 대한 광대역 차단 기능을 보여주는 개략 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 광 파이버를 사용한 SC형 광 PAD 커넥터의 하나의 실시예를 보여주는 개략 종단면도.

도 4는 본 발명에 따른 광 필터의 하나의 실시예의 투과, 스펙트럼을 보여주는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 광 필터의 하나의 실시예의 반사 스펙트럼을 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조로 하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 광 필터의 하나의 실시예를 보여주는 것으로서, 광 필터(1)는 코어(2)와 그 코어의 외주에 형성되며, 코어보다 굴절율이 작은 클래딩(3)을 구비한다. 이 클래딩(3)은 2층 또는 3층 구조로 될 수 있으며, 클래딩(3)을 2층 구조로 한 경우에는 2층 구조의 클레딩의 굴절율을 1층 구조의 클래딩의 굴절율보다 높게하고, 한편으로 클래딩(3)을 3층 구조로 한 경우에는 3층 구조의 클래딩의 굴절율을 2층 구조의 클래딩의 굴절율을 보다 낮게 한다. 이 같은 굴절율 구조를 형성함으로써, 접속부에서 발생하는 클래딩 모드가 기본 모드에 재결합되는 것이 방지되며, FBG에서 발생하는 클래딩 모드가 기본 모드에 재결합되어 파장특성에서 "비트(beat)"로 칭하는 주기 구조가 발생하는 것을 방지하는 효과를 획득할 수 있다.

상기의 코어(2) 부분에는 Co 또는 V 등의 1종 이상의 감쇠성 도펀트 및 B, Al, Ge, Sn, Pb, N, P, Sb 등으로 부터 선택된 1종 이상의 감광성 도펀트가 함유되어 있다. 감쇠성 도펀트는 코어부분에 입사하는 입력광을 선택적으로 반사시키기 위한 굴절율 격자를 형성하기 위해 함유된다.

이상의 Ge등의 감광성 도펀트는 클래딩 모드의 발생을 억제하기 위해 코어 외주의 클래딩(3)에 함유될 수 있도록 Ge를 이용한 경우에는 굴절율이 증가하기 때문에 동시에 클래딩(3)에 굴절율 저하원소인 B 또는 F가 함유된다.

코어(2)의 길이(L)의 중앙 부분에는 굴절율이 높은 영역(H)의 주기적 변조 구조부(G)가 형성된다. 파이버 그레이팅(grating)은 특정의 파장 성분의 광에 대해 전반모드를 변환하는 기능을 지닌다. 파이버 그레이팅의 굴절율 변환 조정기 (이하 「격자간격 」이라 칭함)와 입출력 모드의 전반정수(propagation constant)간에는 식(1)에 나타난 위상 정합 조건이 성립한다.

β₁- β₀= 2π/Λ ………………………(1)

β₀: 입력모드의 전반정수

β₁: 출력모드의 전반정수

Λ : 격자간격

따라서, 이 격자간격 및 파이버 측에 대한 격자의 경사에 의해 의상 접합 조건을 만족하는 모드가 다르게 이루어진다. 가장 대표적인 FBG는 격자간격이 파장정도(100nm 오더(order))로 되고, 기본 모드를 전반하는 바람직한 파장성분을 블래그(Bragg)반사에 의해 역방향의 기본모드로 변환한다. 동일 양태의 격자 간격으로 파이버의 주축에 대해 격자면을 경사지게 형성한 슬랜트형(slanted)(경사형, 칠드형)그레이팅은 기본 모드를 클래딩모드에 결합시키는 기능을 나타낸다. 한편, 격자간격이 100㎛ 오더로 주어지면, 그레이팅은 기본 모드를 순방향의 클래딩모드로 변환시키는 기능을 지니는 장주기 그레이팅으로 된다. 본 발명은 모드 파이버 그레이팅에 적용할 수 있지만, 이중에서 챠프트(chirped) FBG에 적용하는 것이 가장 중요하다.

도 1에 있어서는 주기적 변조구조가 특정의 파장범위에서 브래그(Bragg)반사를 일으킬 수 있는 격자간격이 코어(2)의 축방향으로 연이어 연속적으로 변화하는 챠프드 그레이팅을 보여준다.

도 2는 상기 챠프트 그레이팅의 입력광에 대한 광대역 차단 기능을 보여주며, 입력광의 대역 중의 단파장 성분(점선)은 격자간격이 짧은 광 필터(1)의 입구측에 반사되는 반면, 입력광의 대역 중의 장파장 성분(실선)은 격자간격이 긴 광필터(1)의 출구측에 반사되며, 다른 대역성분은 수신신호로서 광 필터(1)를 통과한다.

도 3은 본 발명에 따른 광 파이버를 사용한 SC형 광 PAD 커넥터의 종단면도를 보여주며, SC형 광 PAD커넥터(4)는 기본적으로 상술된 광 필터에 작용하는 광 파이버(5)(동일도면에서 클래딩은 생략되었음)의 소정의 길이로 페룰(6)을 보호하며, 하우징(7)내에 감합되어, 일단은 수컷형의 접속단자로 타단은 암컷형의 접속단자로 형성된다.

이하, 본 발명의 하나의 실시예에 대해 설명한다.

코어 직경 8㎛, 파이버 길이(L) 22mm, 비굴절율차 0.3%의 광 파이버의 코어부분의 전체길이를 초과하는 Ge 및 Co(Co농도 : 6,000ppm)를 함유하며, 감쇠율(A) 0.2㏈/m의 광 감쇠 파이버를 준비했다.

이 광 감쇠 파이버에 KrF 엑시머 레이저(excimer laser)(λ=248㎚)를 사용하는 위상 마스크(phase mask)방법에 의해 챠프트 그레이팅을 형성하는 광 필터를 준비했다. 챠프트 그레이팅의 위상 마스크의 중심 피리어드(period)(2Λ)는 1,140㎚, 피리어드의 챠프(chirp)율(C)은 0.5㎚/㎜, 챠프트 FBG의 길이(G)는 20㎜, FBG중의 실효굴절율(N)은 1.447, 굴절율 변조는 3×10^-3, 광 감쇠 파이버의 입사단으로부터 FBG 입사단까지의 거리(D)는 1.0㎜이다.

이상과 같이 준비된 광 필터의 FBG의 반사 대역폭, FBG에 반사되는 최단반사파장과 최장 반사파장의 광로차 및 감쇠량차, 반사 슬로프(slope), 최대 반사율은 다음과 같다.

a) 반사 대역폭

실효굴절율(N) × 챠프율(C) × FBG의 길이(G) = 14.47㎚

b) 광로차

2 × FBG의 길이(G) = 40㎜

c) 감쇠량차

광로차(b) × 감쇠율(A) = 8㏈

d) 반사슬로프

감쇠량차(c) / 반사대역폭(a) = 0.553㏈/㎚

e) 최소 반사감쇠량

2 × 감쇠율(A) × FBG 입사단까지의 거리 (D) = 0.4㏈

상기의 광 필터의 투과 스펙트럼, 즉, 입력파장(㎚)과 투과율(㏈)과의 관계를 도4에, 또한 반사 스텍트럼, 즉, 입력파장(㎚)과 반사율(㏈)과의 관계는 도 5에 나타냈다.

도 4에 있어서, 점선(SMF-FBG)는 감쇠 도펀트를 함유하지 않는 싱글모드 FBG 파이버를 나타내며, 실선(ATT-FBG)는 실시예의 광필터를 나타낸다. 또한 도 5에 있어서, 점선(SMF-FBG : 단→장)은 감쇠 도펀트를 함유하지 않는 싱글모드 FBG파이버에서 격자 간격의 짧은 측으로부터 긴측으로 광이 입력되는 경우에, 또한 굵은 실선(ATT-FBG : 단→장)은 실시예의 광 필터에 있어서, 격자간격의 짧은 측으로부터 광이 입력되는 경우를 보여주며, 가는 실선 (ATT-FBG : 장→단)은 실시예의 광 필터에서 격자간격의 긴 측으로부터 짧은 측에 광이 입력되는 경우를 나타낸다.

이상의 코어의 축방향으로 격자간격이 연속적으로 변화하는 챠프트 FGB에 있어서는, 도 2에 보여지는 바와 같이 입력광의 파장에 의해 FBG중에서의 반사점이 다르다. 그 결과, 입력광의 파장에 대응하여 반사광의 광로길이가 다르며, 장파장보다 광로길이가 길다.

한편, 감쇠 파이버에서는 광로 길이가 그것의 감쇠량을 결정하기 때문에, 챠프트 그레이팅의 반사 스펙트럼은 입사광이 파장에 대해 경사기능을 지닐 수 있다. 즉, 챠프트 FBG의 반사 스펙트럴(spectral)은 도 5에 도시된 바와 같이 파장특성(T슬로프)을 발생시키며, 입력광이 격자간격의 짧은 측으로부터 입사된 경우에는 긴 파장측의 반사율이 낮게 되는 스펙트럴 특성이, 역으로 입력광이 격자간격이 긴 측으로부터 입사되는 경우에는 단파장측의 반사율이 낮게 되는 스펙트럴 특성이 획득된다.

이 같은 스펙트럴 특성은 파장특성을 지니는 감쇠기 등에 이용될 수 있다. 즉, 감쇠기에는 통상의 플랫(flat) 파장특성이 요구되지만, 예컨대 광증폭기의 이득 등가기(gain equalizer)(이득 평탄화 필터(gain flattening filter))에 의해 부분적으로 파장 특성이 요구되는 경우도 있다. EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier) 등에는 본질적으로 도펀트의 발광 스펙트럴 특성에 기인한 파장특성을 지닌다. 이 경우 감쇠량의 파장특성을 유지하는 감쇠 파이버 또는 장주기 FBG에 의해 이것을 상쇄하는 방법이 사용되고 있으며, 본 발명의 광 필터는 그 같은 용도에 이용될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 광 필터는 금속 도프 파이버 방식의 광 고정 감쇠기에 FBG를 형성함으로써 다음과 같은 이점을 지닌다.

a) 전체길이가 단일의 파이버에 의해 형성되기 때문에 실장용량을 감소시킬 수 있다.

b) 길다란 FBG의 실장이 가능하여 FBG의 설계자유도가 확대될 수 있다.

c) 파이버 구조를 변경하여 복합기능을 구비할 수 있어 케이싱 또는 실장구조를 변경시키지 않고 기존의 광 부품을 그대로 사용할 수 있다.

d) 접속점이 감소되어 접속손실이 저하되며, 신뢰성이 향상된다.

e) 제조 및 시공비용을 감소시킬 수 있다.

Claims

코어와, 상기 코어의 외주에 형성되며 상기 코어보다 굴절율이 작은 클래딩(cladding)으로 구성되며, 상기 코어 부분에 수신신호의 강도를 허용범위내에서 조정하기 위한 감쇠성 도펀트 및 자외선 조사에 의해 긴 수명의 굴절율 변화를 일으킬 수 있도록 감광성 도펀트가 함유되며, 상기 코어 부분에 입력광을 선택적으로 반사시키도록 굴절율 격자가 형성되는 것을 특징으로 하는 광 필터.
코어와, 상기 코어의 외주에 형성되며 상기 코어보다 굴절율이 작은 클래딩으로 구성되며, 상기 코어 부분에 수신신호의 강도를 허용범위내에서 조정하기 위한 감쇠성 도펀트 및 자외선 조사에 의해 긴 수명의 굴절율 변화를 일으킬 수 있도록 감광성 도펀트가 함유되며, 상기 코어 부분에 입력광을 선택적으로 반사시키도록 굴절율 격자가 형성되며, 소정의 길이를 지니는 광 파이버가 사용되는 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 굴절율 격자의 격자 벡터(vector)가 블래그(Bragg)회절 격자인 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 굴절율 격자는 챠프트 그레이팅(chirped grating)인 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 4항에 있어서, 챠프트 그레이팅의 반사 스펙트롤은 입사광의 파장에 대해 경사기능을 지니는 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 감쇠성 도펀트는 Co, V, Ni, Ti, Fe, Cr 및 Mn을 포함하는 천이금속 원소로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 감광성 도펀트는 B 및 Al 등의 주기율표 제 3B족, Ge, Sn 및 Pb 등의 주기율표 제 4B족 및 N, P 및 Sb 등의 주기율표 제5B족에 속하는 원소로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감광성 도펀트는 상기 코어의 외주에 형성된 클래딩에 함유되는 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 2항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 파이버는 광 커넥터 내의 페룰(ferrule)중에 수용되는 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 9항에 있어서, 상기 광 커넥터는 그것의 양 단부에 수컷형 및 암컷형의 접속단자가 형성된 광 PAD 커넥터인 것을 특징으로 하는 광 필터.
제 10항에 있어서, 상기 광 PAD커넥터는 SC형, MU형, FC형 또는 LC형 광 PAD커넥터인 것을 특징으로 하는 광 필터.