KR20050044486A - 초점을 모으는 광섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광축에 둔각으로 광선의 초점을 모으는 광섬유 도파관이다. 광섬유의 초점단부는 비스듬하게 연마되어서, 광섬유 도파관을 통과하여 광선의 경로로 한정되는 광축과 표면 수직선이 일치하지 아니한다. 각 θ는 반두시 0도보다 크고 90도보다 작다. 본 발명은 초점단부에서 광섬유 도파관의 외부에 결합되는 초점렌즈를 추가로 포함한다. 초점렌즈는 볼 렌즈일 수 있고, 접착재료에 의해서 덮개층의 외부에 부착된다.

Description

초점을 모으는 광섬유{FOCUSING FIBER OPTIC}

본 발명은 광섬유 도파관에 관한 것이고, 구체적으로는 섬유의 광축에 직각으로 입사하는 광선을 나아가게 하는 광섬유 도파관에 관한 것이다.

광섬유 도파관은 일반적으로 0.1 에서 0.01mm 정도의 매우 작은 직경을 갖는 유리 또는 합성 플라스틱 재료의 섬유이다. 일반적인 광섬유 도파관은 덮개층의 굴절 지수는 코어의 지수보다 작은 유리의 코어 및 외장 또는 덮개층을 포함한다. 코어의 굴절 지수는 상수일 수도 있고, 또는 미리 결정된 공식에 따라 방사상으로 변하여서 등급이 나누어진 지수 광섬유를 생성할 수도 있다.

코어와 덮개층을 구성하는 재료사이의 굴절 지수의 차이 때문에, 섬유의 일 단부에 들어오는 빛이 코어내부에서 섬유의 축을 따라 전달된다. 특정 타입의 매우 투명한 유리를 이용하여, 빛이 쇠약해지거나 분산되지 아니하도록 하면서 섬유의 일 단부로부터 타 단부로 빛을 전달하는 것이 가능했었다.

그럼에도 불구하고, 빛의 행동에 대한 물리적 제약이 특정 경우, 특히 매우 짧은 거리에 대하여 섬유의 광축에 대해 둔각으로 빛이 전달되어야만 하는 어떤 경우에 광섬유 도파관을 사용하는 것을 방해해왔다. 이 경우에, 광섬유를 팽팽하게 구부리는 것은 섬유가 피로해져서 부서지거나 급격한 굽힘에서 방사형 때문에 빛이 손실되는 점에서 부적합한 수단이 된다.

그러한 환경에서, 요구되는 각에서 빛을 반사하기 위해 거울을 이용하거나 고도로 연마된 렌즈를 이용하는 것이 제안되어왔다. 그렇게 하는 데에 있어서, 입사하는 빛을 반사하는 볼록, 오목 또는 평평한 광학 요소를 갖는 장치가 설계될 수 있다. 그러나, 제안된 해결책들이 언급된 목적의 일부를 달성하는 반면에, 증가되는 비용과 렌즈의 전반적인 효율과 부피를 고려하지 않고 있다.

도1은 본 발명에 따른 광섬유 초점 시스템의 개략도.

도2는 본 발명에 따른 광섬유 도파관의 단면도.

도3은 본 발명에 따른 초점을 맞추는데 이용하는 광섬유의 단면도.

도4는 본 발명의 광섬유에 의해 초점이 맞추어진 광선의 점(spot)의 크기를 보여주는 그래픽 표시.

따라서, 본 발명은 광선을 가이드하고 나아가게 하는 코어를 둘러싸는 덮개층으로 구성된 광섬유 도파관을 포함한다. 덮개층은 제1경계와 초점단부를 한정하고, 광섬유 도파관의 초점단부는 반사표면을 한정한다. 반사표면으로부터, 표면 수직 벡터는 광축에 표면의 상대적 위치를 결정하기 위해서 투영된다. 표면 수직선이 광섬유 도파관을 통해 광선의 경로에 의해 한정되는 광축과 일치하지 않는 각에서 초점단부는 연마된다. 각 θ는 반드시 0도 보다 크고 90도 보다 작다. 특정 실시예에서, 각 θ는 36도와 55도 사이에 있고, 특정 경우에 대략 43도에서 49도일 수 있다.

본 발명은 그 초점단부에서 광섬유 도파관의 덮개층 외부 표면에 결합되는 초점렌즈를 추가로 포함한다. 초점렌즈는 볼 렌즈일 수 있고, 바람직하게는 지수가 일치하는 타입의 접착재료에 의해서 덮개층의 외부에 부착될 수 있다. 그와 같이, 초점단부로부터 반사되면, 광선은 지수가 일치하는 접착재료를 통해서 그리고 부착된 초점렌즈를 통해서 초점렌즈의 외부 표면인 제2경계에 전달된다. 초점렌즈는 본래 구면이고, 제2경계는 광선에 구형 렌즈로서 나타난다. 따라서, 광선은 직경 5-9㎛ 정도에 있는 원형 지점으로 집중된다.

본 발명은 일반적으로 관심있는 구조물에 광선의 초점을 모으고 나아가게 하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광섬유를 통해 레이저 빛을 전달하고 광축에 직각으로 광섬유로부터 나오는 빛의 초점을 모으는데 적합하다. 본 발명의 내용은 이하에서 더욱 상세히 논의된다.

광섬유 초점 시스템(10)은 도1에 도시되어 있다. 광섬유 초점 시스템(10)은 일반적으로 광섬유 도파관(12), 광원(22), 초점렌즈(14), 및 관심 있는 구조물(18)로 구성된다. 광원(22)은 광섬유 도파관(12)을 통해 그 초점단부(11)로 전달되는 광선(20)을 발생시킨다. 초점단부(11)에 도달하면, 광선(20)은 내부 전반사를 겪고 초점렌즈(14)를 통과하여 관심 있는 구조물(18)에 빛을 비춘다.

본 발명의 광섬유 도파관(12)은 도2에서 보다 자세히 볼 수 있다. 광섬유 도파관(12)은 광선(20)을 둘러싸고 나아가게 하는 덮개 층(24)으로 구성된다. 덮개 층(24)은 제1경계(28)와 초점단부(11)를 한정한다. 광선(20)은 포인트(26)에서 초점단부(11)에 닿는다. 광섬유 도파관(12)의 초점단부(11)는 표면 수직 벡터(25)를 한정하는 반사 표면을 한정한다. 표면 수직선(25)이 광섬유 도파관(12)을 통과하는 광선(20)의 경로에 의해 한정되는 광축과 일치하지 않게 하는 각으로 초점단부(11)는 연마된다. 각 θ는 반드시 0도 보다 크고 90도 보다 작다. 바람직한 실시예에서, 각 θ는 36도와 55도 사이에 있고, 특정 경우에 대략 43도에서 49도 정도일 수 있다.

광선(20)이 초점단부(11)에 닿을 때, 적당한 양의 광선(20)의 맥스웰 방정식에 따라서 광선이 전달되고 흡수되고 반사된다. 그러나, 어떤 경게 조건에서는 내부 전반사(TIR)가 발생한다. 그러한 조건은 아래에 주어지는 스넬의 법칙으로 알려진다.

(1) n₁sin(θ₁) = n₂sin(θ₂)

n₁ 은 매질 i의 굴절 지수이고, θ_i는 각각 입사각, 반사각, 전달각이다. 본 발명의 적용에 있어서, 공기의 굴절 지수가 1이기 때문에 n₁sin(θ₁)는 항등식이다. 따라서, 방정식 1은 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.

(2) θ₂ = sin^-1(n₁/n₂)

일반적인 광섬유의 굴절 지수 n₂는 대략 1.46이고, 내부 전반사의 임계각 θ₂는 대략 43도이다. 광선(20)이 43도 또는 그이상의 각으로 초점단부(11)에 닿으면, 광선(20)은 전반사될 것이다.

도2의 단면 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 광선(20)은 각 θ에서 초점단부(11)에 닿는다. 광선(20)은 그후에 그 본래의 축에 대략 직각으로 반사된다. 광선(20)은 맥스웰 방정식에 따라 그 경로가 다시 변하게 되는 포인트인 제1경계면(28)에 도달할 때까지 자연히 발산한다. 광섬유 도파관(12)은 본래 원통형이고 따라서 제1경계(28)는 광선(20)에 대해 원통형 렌즈로서 나타난다. 그것으로, 광선은 Y축이 X축보다 큰 타원형 지점(30)으로 발산한다.

광선(20)의 빠르고 바람직하지 않은 발산을 상쇄하기 위해서, 광섬유 도파관(12)은 도3에서 보여지는 것처럼 초점렌즈(14)에 결합된다. 앞에서와 같이, 광선(20)은 그후에 광축에 대략 직각으로 반사된다. 다시, 광선(20)은 제1경계(28)에 도달할 때까지 당연히 발산한다. 그러나, 맥스웰 방정식에 따라 그 경로를 바꾸기 보다, 광선은 접착재료(16)와 초점렌즈(14)를 통과하여 제2경계(29)에 전달된다. 초점렌즈(14)는 실재로 구형이고, 따라서 제2경계(29)는 광선(20)에 구형 렌즈처럼 나타난다. 그것으로, 광선은 Y축이 X축과 동일한 원형 지점(32)으로 수렴한다.

제1경계(28)에서 내부 반사를 피하기 위해서, 접착재료(16)와 초점렌즈(14)의 각 굴절지수는 덮개 층(24)의 굴절지수와 일치해야한다. 다시 말해서, 접착재료(16)와 초점렌즈(14)의 굴절 지수는 바람직하게 1.30에서 1.70사이이고, 최선으로는 더 좁은 범위로 1.45에서 1.50사이 이다. 앞서 말한 조건이 충족되면, 제1경계에서 광학의 경계 조건은 없는 것이고, 따라서 광선(20)의 내부 전반사 또는 굴절이 없는 것이다. 광학의 성능을 확실히 보장하기 위해서는, 광학의 품질이 우수한, 지수가 일치하는 접착재료가 바람직한 접착재료(16)이다. 마찬가지로, 초점렌즈(14)는 바람직하게 덮개층(24)의 굴절지수와 동일한 굴절지수를 갖는 볼 렌즈이다.

도3에 도시된 광섬유 도파관(12)의 향상된 설계에도 불구하고, 광선(20)의 전달은 완벽하지 아니하다. 원형 지점(32)을 형성하는 광선(20)은 입사되는 빛의 100%가 아니다. 프레넬 방정식은 빛이 어느 방향으로 진행하든지에 상관 없이 입사된 광선의 약 4%가 대기/유리 경계면에서 반사될 것이다라고 말하고 있다. 손실된 반응도에 관한한, 4%의 반응도 손실이 큰 격변은 아니다. 그러나, 광선(20)의 4%의 일부가 본래의 경로, 즉 광축에 되돌아온다면, 그 결과는 시스템의 전반적인 성능을 감소시키는 네트워크에 대한 혼선이 된다.

대부분의 경우에 있어서, 광축에서 반사될 수 있는 빛의 양은 본래의 광선(20)의 1000 분의 1, 즉 0.1% 이하로 유지되어야 한다. 상술한 것은 광학 복귀 손실(ORL)로 불리우며, 일반적으로 강도 손실의 로그 측정값인 데시벨(dB)의 단위로 지정된다. 예를 들어서, 1000분의 1은 -30dB의 ORL을 지칭한다. 보통의 적용에 있어서, 섬유의 측벽으로 전파되고 코어에 다시 반사되는 일반적인 광선은 ORL이 -9dB정도로 높게 만들 수 있다. 이것은 최적 성능을 위해서 허용될 수 있는 것보다 100배 더 많은 빛이 다시 코어로 들어가는 것을 의미한다. ORL 문제에 대해 시도된 해결책은 4%의 반사를 제거하기 위해서 섬유의 유리 표면을 반사방지코팅 하는 것이다. 이러한 해결책은 지깅 및 처리량(jigging and processing runs) 모두에 있어서 각 섬유에 하기에 상당히 비용이 많이 든다. 그러나, 도3에 도시된 광섬유 도파관(12)은 ORL문제를 자연스럽게 해결한다. 지수가 일치하는 초점렌즈(14)와 접착재료(16)로, 오직 제2경계(29)만이 전술한 광선(20)의 4%를 반사하고 빛은 덮개층(24)과 초점렌즈(14)를 통과하여 방해받지 않고 전달될 수 있다. 이것은 광축에서 멀리 있는 제2 유리 경계면(29)만이 아니라, 보다 중요하게는, 초점렌즈(14)의 표면의 강한 굴곡이 빛을 광축으로부터 멀리 반사시킨다. 따라서 바람직한 볼 렌즈(14)를 이용하는 ORL은 보통 -40dB, 즉 본래의 광선의 10,000 분의 1을 초과한다.

도3에 도시된 광섬유 도파관(12)의 향상된 성능이 원형 지점(32)의 직경에 대하여 추가로 설명된다. 도4는 광검출기의 평행이동(㎛)과 뒤이어 일어나는 원형 지점(32)의 직경을 가로질러 측정된 검출기의 반응도(A/W)사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 특정 데이터는 45^o 연마된 광섬유 도파관에 결합된 34㎛ 직경의 볼 렌즈를 나타낸다. 검출기 그자체는 비교적 크지만, 검출기의 엣지는 가파르다. 이것은 레이저가 검출기의 엣지 위에 위치하기 때문에 레이저에 의해 형성된 원형 지점이 갑작스럽게 검출기와 직면하게 되는 것을 의미한다. 도시된 것처럼, 반응도의 10-90% 상승은 그 지점이 5㎛ 에서 10㎛로 이동할 때 발생한다. 이것은 초점이 모아진 레이저 지점(FWHM)이 5㎛ 의 상태이거나 적어도 3㎛ 과 15㎛사이의 범위에 있다는 것을 나타낸다. 또한 반응도는 1.0 A/W에서 정체기에 들어간다는 것이 주목할 만하다. 이것은 이러한 타입의 검출기에 대한 이론적인 한계이고, 실체로 광학 조립체에서 빛이 손실되지 아니한 다는 것을 나타낸다.

언급된 것처럼, 본 발명은 광섬유 초점 시스템, 광섬유 도파관, 및 이를 만드는 방법으로 구성되어 있다. 특히, 광섬유 도파관은 광축에 직각인 각으로 입사하는 광선을 진행시키는데 적합하다. 그럼에도 불구하고, 당업자에게는 상기 기재된 실시예가 단순히 예시적이고 있을 수 있는 많은 본 발명의 실시예중에서 몇몇일 뿐이라는 것이 명백할 것이다. 다양하고 수 많은 다른 발명이 다음에 이어지는 청구범위에 한정된 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나지 아니하고 당업자에 의해 쉽게 개량될 수 있다.

Claims (24)

1. 광축을 한정하고 수용단부 및 초점단부를 갖고, 초점단부는 표면 수직선을 갖는 반사표면을 한정하는 광섬유 도파관 및;

   초점단부에 결합된 초점렌즈를 포함하고,

   광선이 초점단부로부터 초점렌즈에 반사되도록 표면 수직선은 광축에 대해 비스듬히 방향지어지고, 그 후 광선이 관심있는 구조물에서 초점이 모아지는,

   관심있는 구조물을 비추도록 광선을 제공하는 광원을 갖는 광섬유 초점 시스템.
2. 제1항에 있어서, 초점렌즈는 접착재료에 의해 광섬유 도파관의 말단부에 결합되는 볼 렌즈인 광섬유 초점 시스템.
3. 제2항에 있어서, 볼 렌즈와 접착재료는 광섬유 도파관의 굴절 지수와 동일한 굴절 지수를 갖는 광섬유 초점 시스템.
4. 제1항에 있어서, 광섬유 도파관의 굴절 지수는 1.3 에서 1.7 사이인 광섬유 초점 시스템.
5. 제1항에 있어서, 광섬유 도파관의 굴절 지수는 1.45 에서 1.50 사이인 광섬유 초점 시스템.
6. 제1항에 있어서, 광축에 대한 표면 수직선의 각은 36도 에서 55도 사이인 광섬유 초점 시스템.
7. 제1항에 있어서, 광축에 대한 표면 수직선의 각은 43도 에서 49도 사이인 광섬유 초점 시스템.
8. 광축을 한정하고 수용단부 및 초점단부를 갖고, 초점단부가 표면 수직선을 갖는 반사 표면을 한정하는 광섬유 도파관; 및,

   접착재료에 의해 초점단부에서 광섬유 도파관에 결합되는 초점렌즈를 포함하고,

   광축을 따라 전파하는 광선이 초점렌즈에 반사되도록 표면 수직선이 방향지어지는,

   초점을 모으는데 이용되는 광섬유.
9. 제8항에 있어서, 초점렌즈는 볼 렌즈이고 접착재료는 시멘트인 광섬유.
10. 제9항에 있어서, 볼 렌즈와 시멘트는 광섬유 도파관의 굴절 지수와 동일한 굴절 지수를 갖는 광섬유.
11. 제8항에 있어서, 광섬유 도파관의 굴절 지수는 1.3 에서 1.7 사이인 광섬유.
12. 제8항에 있어서, 광섬유 도파관의 굴절 지수는 1.45 에서 1.50 사이인 광섬유.
13. 제8항에 있어서, 광축에 대한 표면 수직선의 각은 36도 에서 55도 사이인 광섬유.
14. 제8항에 있어서, 광축에 대한 표면 수직선의 각은 43도 에서 49도 사이인 광섬유.
15. 제8항에 있어서, 초점렌즈에 의해 초점이 모아진 광선은 원형 단면을 갖는 광섬유.
16. 제8항에 있어서, 초점렌즈에 의해 초점이 모아진 광선은 직경이 3 에서 15 마이크로미터 사이인 점 크기(spot size)를 갖는 광섬유.
17. 제8항에 있어서, 초점렌즈에 의해 초점이 모아진 광선은 직경이 5 에서 9 마이크로미터 사이인 점 크기를 갖는 광섬유.
18. 광축을 한정하고 수용 단부 및 초점단부를 갖고, 초점단부는 표면 수직선을 갖는 반사 표면을 한정하는 광섬유 도파관을 제공하는 단계;

    광섬유 도파관의 굴절 지수와 동일한 굴절 지수를 갖는 초점렌즈를 제공하는 단계;

    표면 수직선이 광축에 대하여 각을 한정하기 위해서 광섬유 도파관의 초점단부를 연마하는 단계; 및,

    지수가 일치하는 광학 시멘트를 사용하는 초점단부에서 초점렌즈를 광섬유 도파관에 결합하는 단계를 포함하는,

    초점을 모으는데 이용하는 광섬유를 만드는 방법.
19. 제18항에 있어서, 광축을 따라 전파되는 광선이 표면 수직선에서 반사되도록 광섬유 도파관을 조명하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
20. 제18항에 있어서, 광선이 표면 수직선에서 반사되도록 광축을 따라 가시광선을 나아가게 하는 단계와, 반사된 광선의 위치를 목표물에 고정하는 단계를 추가로 포함하는 단계.
21. 제20항에 있어서, 초점렌즈를 광섬유 도파관에 부착하는 것에 대한 반응으로 가시광선이 초점렌즈에 의해 초점이 모아지도록, 초점렌즈를 고정된 목표물과 정열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
22. 제18항에 있어서, 표면 수직선이 광축에 대하여 42도와 52도 사이에서 각을 한정하도록 초점단부가 연마되는 방법.
23. 제18항에 있어서, 광섬유 도파관의 굴절 지수는 1.4 와 1.5 사이에 있는 방법.
24. 제18항에 있어서, 광선을 제공하는 단계와, 직경이 5 에서 9 마이크로미터 사이인 점 크기에 광선의 초점을 모으는 단계를 추가로 포함하는 방법.