KR20050065886A - 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 첩핑된(chirped) 광섬유 브라그 격자(fiber Bragg grating) 제작 방법에 관한 것으로서, 일반적인 광섬유 브라그 격자 제작에 주로 많이 사용되는, 게르마늄이 광섬유 코어 내에 높은 농도로 첨가된, 광민감성 광섬유(photosensitive fiber)의 일정 영역에 고온의 열을 인가하여 광섬유 코어 내에 존재하는 불순물(dopant)을 클래드로 확산시켜서 광섬유 코어 내에서 빛이 진행하는 방향으로 도파되는 모드가 겪는 유효 굴절률을 변화시킨 후, 주기가 균등한 위상 마스크를 이용하여 단주기 광섬유 브라그 격자를 제작하더라도 마치 주기가 광섬유 길이 방향(또는 빛의 진행 방향)으로 변화된 것과 같은, 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 제작하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 경우 정밀한 광학계나 주기가 길이에 따라 변화하는 고가의 첩핑된 위상 마스크를 필요로 하지 않고, 간단하면서도 용이하게 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 제작할 수 있는 장점이 있다.

Description

첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법 {THE METHOD FOR FABRICATING THE CHIRPED FIBER BRAGG GRATING}
본 발명은 첩핑된(chirped) 광섬유 브라그 격자의 제조 방법에 관한 것이다. 특히 광섬유 코어에 첨가된 불순물의 열적 확산을 통해 유효 굴절률을 제어하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자의 제조 방법에 관한 것이다.
광섬유 코어 내에 게르마늄(Ge)이 불순물(첨가물:dopant)로 첨가된 실리카 (silica)계열의 광섬유에 자외 광선(ultar-violet-ray)을 조사할 경우 발생하는 광유기 굴절률 변조 효과를 이용한 광섬유 브라그 격자는 수년전부터 최근에 이르기까지 다양한 응용 분야를 갖는 광소자로서 많은 관심을 끌고 있다. 광섬유 코어 내에만 주기적으로 형성되는 브라그 격자의 특별한 구조로 인해, 광섬유 브라그 격자는 많은 장점을 갖고 있다. 그 중 첫째가 매우 작은 크기를 갖는다는 것이고, 둘째로는 매우 낮은 삽입 손실을 가지며 규격화된 일반적인 통신용 광섬유에 삽입이 가능하다는 것이며, 셋째로는 매우 훌륭한 파장 선택성을 갖는다는 것이고, 마지막으로 보통의 광필터와 비교해 매우 작은 편광 의존 손실 특성을 갖는다는 점이다. 따라서, 이와 같은 장점들로 인해 광섬유 브라그 격자는 광통신 시스템 뿐 아니라 광센서 영역 등 많은 응용 분야에 사용되어져 왔다.
광섬유 브라그 격자에는 다양한 종류들이 존재한다. 그 중 공진 반사 파장이 광섬유의 길이를 따라 변화하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자의 경우 고속 신호가 전송되는 광섬유 링크 상에서 광섬유 색 분산을 보상해 주는 분산 보상 소자 및 유전체 박막 필터등을 대신하여 광대역 반사기(wideband reflector) 소자로서 매우 각광 받는 광소자이다.
이하 도 1 내지 2를 참조하여 종래기술에 의한 첩핑된 브라그 격자를 제작하기 위한 방법을 설명하겠다.
도 1은 비균등한 주기를 갖는 격자를 빛이 진행하는 광섬유 코어에 형성하는 방법 즉, 광섬유 격자를 따라서 격자의 주기가 변화하는 것을 이용하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에서, 클래드(12)로 둘러쌓인 코어(13)는 길이 방향으로 균일한 굴절률 분포를 갖고, 비균등한 주기를 갖는 격자(11)를 가진다. 비균등한 주기를 갖는 위상마스크와 길이 방향으로 균일한 굴절률 분포를 갖는 광섬유 코어(13)를 이용하여 격자(11)를 제작한다.
이와 같이, 비균등한 주기를 갖는 격자를 이용해 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 제작하기 위한 방법으로는 다음과 같은 세 가지가 존재한다. 첫 번째가 첩핑된 위상 마스크(길이 방향으로 주기가 불균등한)를 사용하는 방법이고 두 번째로는 서로 다른 파면 굴곡(wavefront curvature)을 갖는 빔으로부터 발생하는 간섭 패턴을 사용하는 방법이며 마지막으로는 휘어진(curved) 광섬유에 브라그 격자를 형성하는 방법이 있다. 첩핑된 위상 마스크를 사용하는 방법이 현재 가장 널리 사용되는 방법이기는 하나, 단 하나의 첩핑된 위상 마스크로부터 다양한 임의의 첩 형태(chirp profile)를 얻기가 어렵다는 단점이 있다. 첩 형태를 변화시키기 위해서는 응용 분야에 적합하게 최적화된, 첩핑(chirped)된 위상 마스크를 준비하는 것이 요구된다. 하지만 이는 비용 면에서 매우 비효율 적이다. 왜냐하면 각각의 첩 형태마다 각기 다른 위상 마스크를 사용해야 하기 때문이다. 간섭 패턴을 사용하는 방법의 경우는 첩 형태를 쉽게 변화시킬 수 있다는 장점은 있지만, 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 형성하기 위한 광학계의 구성이 매우 복잡하고 안정된 동작 성능을 얻기가 어려운 단점이 있다. 또한 마지막 방법으로 제시한, 휘어진 광섬유에 격자를 형성하는 경우, 휨 각도를 정밀하게 제어하는 것이 어려워서 재현성이 떨어지며, 격자 제작을 위한 광학계 장치의 구성이 간섭 패턴을 이용하는 방법과 마찬가지로 매우 복잡하다는 단점을 안고 있다.
도 2는 빛이 진행하는 광섬유 길이 방향으로 비균일한 굴절률 구조를 갖는 광섬유에 균등한 주기를 갖는 격자를 형성하는 방법 즉, 광섬유의 도파 모드가 겪는 유효 굴절률을 제어하는 것을 이용하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서, 클래드(15)로 둘러쌓인 코어(16)는 길이 방향으로 비균일한 굴절률 분포를 갖고, 균등한 주기를 갖는 격자(14)를 가진다. 균등한 주기를 갖는 위상마스크와 길이 방향으로 비균일한 굴절률 분포를 갖는 광섬유 코어(16)를 이용하여 격자를 제작한다.
이와 같은 광섬유의 유효 굴절률을 제어하는 방법의 경우, 일반적인 단주기 위상 마스크를 이용해 첩핑된 브라그 격자를 제작할 수 있는 장점이 있다. 이러한 종류의 제작 방법에는 세부적으로 세 가지 방법으로 구분될 수 있는데, 그 중 첫 번째가 자외 광선의 재조사(re-exposure)를 통해 유효 굴절률을 변화시키는 방법이고, 두 번째는 인장에 의해 광섬유 직경을 가늘게 만드는 방법이며, 세 번째는 응력을 갖는 동시에 식각되어 직경이 가늘어진 광섬유(etched taper fiber with strain)를 이용하는 방법이다. 자외 광선의 재조사 방법은 제작 방법이 비교적 쉽다는 장점이 있기는 하지만, 수 나노미터(nanometer)이상의 비교적 높은 첩핑 정도를 갖는 격자를 제작하기에는 적절하지 않은 단점을 안고 있다. 나머지 두 방법은 수 나노미터 이상의 광대역폭을 갖는 격자 제작이 가능하지만 기계적인 강도면이나 신뢰성면에 있어서는 만족스럽지 못한 성능을 갖는 것이 단점으로 지적된다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광섬유 코어에 첨가된 불순물의 열적 확산을 통해 유효 굴절률을 제어하는 첩핑된 브라그 격자 제작 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 기계적인 강도면에 있어서나 신뢰성 측면에 있어서 매우 우수한 특성을 갖는 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 제작하는 방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 광섬유 중에서 소정 영역에 위치한 코아 및 클래드를 가열하여 상기 소정 영역에 위치한 코아 내에 존재하는 불순물을 상기 클래드로 확산시키는 확산 단계, 및 광원 및 위상 마스크를 사용하여 광섬유 브라그 격자를 형성하는 격자 형성 단계를 포함하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법을 제공한다.
이하 본 발명의 기본 원리를 설명하겠다.
본 발명은 광섬유 코어에 불순물로 첨가된 첨가물(불순물)들이 열적 확산 과정을 거치면서 클래드로 확산하게 되면서, 광섬유 코어 내로 도파되는 모드가 겪는 유효 굴절률의 변화에 근거하여 제안된 방법으로서 기본 원리는 다음과 같다.
λB로 표현되는 균일한 주기를 갖는 광섬유 브라그 격자의 반사 파장은 수학식 1에 의거하여 표현될 수 있다.
λB = 2neff×Λ
여기에서 neff는 광섬유 코어 내에서 도파되는 모드가 겪는 유효 굴절률을 나타내고, Λ는 광섬유 브라그 격자의 주기를 나타낸다. 수학식 1에서 볼 수 있듯이 격자의 중심 파장은 유효 굴절률과 격자의 주기에 비례하는 관계를 갖는다.
하지만 첩핑된 광섬유 브라그 격자의 경우 격자가 형성된 광섬유 코어의 길이 방향을 따라, 앞서 언급한 유효 굴절률 및 격자의 주기가 변화하는 특징을 갖고 있다. 따라서 격자의 주기 또는 유효 굴절률이 변화하게 되면 이들과 비례관계에 있는 중심 파장 또한 변화하게 된다. 결국 주기와 유효 굴절률이, 첩핑된 광섬유 브라그 격자의 성능을 결정짓는 매우 중요한 파라미터인 셈이다.
본 발명은 이런 파라미터들 중 유효 굴절률을 제어하는 방법을 이용하였다. 즉 광섬유의 일정 부분에 고온의 열을 가하여 코어 내에 첨가된 불순물이 열적으로 확산되는 현상을 이용해 격자의 주기는 일정하게 유지한 채 불순물 확산으로 인한 유효 굴절률의 변화를 첩핑 특성과 연계시켜 보통의 균등한 주기를 갖는 광섬유 격자가 임의의 첩핑 특성을 갖도록 만들어 주는 것이다.
이하 도 3을 참조하여 본 발명의 기본원리를 보다 상세하게 설명하겠다.
광섬유 격자 제작에 주로 많이 사용되는 광민감성 광섬유의 일정 부분에 입혀진 재킷을 광섬유 피복 탈피기를 사용하여 벗겨낸다. 재킷이 벗겨진 부분을 약 1000 ℃에 이르는 고온을 발생하는 열원으로 가열하게 되면, 광섬유 코어 내에 존재하는 첨가 불순물들이 클래드 쪽으로 확산을 하게 된다. 이러한 확산 과정을 거치면서 자연스럽게 굴절률 분포가 변화하게 된다. 즉, 열원 자체가 길이방향으로 불균일한 온도 분포를 가지므로, 이 열원을 이용해 광섬유를 가열할 경우 열원과 마찬가지로 광섬유 또한 길이 방향으로 코어 내에서 불균일하게 불순물 확산 반응이 일어나게 된다. 이처럼 길이 방향으로의 불균일한 확산은 광섬유 길이 방향으로 불균일한 유효 굴절률 분포의 변화를 야기한다. 기술한 바와 같이, 격자의 반사 파장은 유효 굴절률과 관계되므로 확산 과정이 진행되는 동안 유효 굴절률의 변화 폭을 고려하여 적절하게 변화될 수 있도록 확산 정도를 정확히 제어해야 한다. 또한 첩핑 특성도 확산 정도에 따라 달라지므로 정확히 열적 확산 과정 내에서 확산되는 정도를 잘 제어해야 한다. 예를 들어, 도 3a에서 보이는 것처럼 임의의 광섬유가 계단형 굴절률 분포를 가지며 코어에는 게르마늄(Ge)이 불순물로 첨가되었고, 클래드은 순수한 실리카만으로 구성되었다고 가정해 보자. 열을 가하기 전에 유효 굴절률은 다음의 수학식 2로 표현된다.
neff = ncore×Pcore + nclad×Pclad
수학식 2에서 ncore는 코어의 굴절률을, nclad는 클래드의 굴절률을 나타낸다. Pcore와 Pclad는 각각 코어와 클래드 영역 내에서 진행하는 모드의 광파워 비율(power fraction ratio)을 나타낸다.
광섬유에 열을 인가해 코어에 첨가된 불순물이 확산되면, 도 3b와 같은 불순물 분포를 보일 것이다. 즉, 코어의 직경은 증가하는 경향을 보이며, 코어와 클래드 사이의 상대적인 굴절률 차이는 점차 줄어드는 경향을 보인다. 광섬유에 열을 인가하여 열적 확산 과정을 거친 광섬유의 유효 굴절률을 neff'라 하면, 이는 다음의 수학식 3과 같이 표현된다.
neff' = ncore'×Pcore' + nclad'×Pclad'
앞서 언급하였듯이, ncore 값은 열적 확산으로 인해 그 값이 감소하지만 nclad 값은 클래드 내에 어떤 첨가 불순물도 존재하지 않으므로 그 값이 일정하게 유지된다. 이러한 관계를 다음의 수학식 4에 나타내었다.
ncore>ncore', nclad=nclad'
또 다른 파라미터인 Pcore 와 Pclad의 Pcore'와 Pclad'로의 변화는 각각 V 파라미터라고 정의된 광섬유의 정규화 주파수(normalized frequency)에 의해 결정된다. 이는 광섬유의 코어 또는 클래드를 통해 전달되는 파워 비가 근본적으로 정규화 주파수의 함수이기 때문이다. 하지만 정규화 주파수 V는 열적 확산 과정 동안 변화되지 않기 때문에 결국 Pcore 와 Pclad값은 변화되지 않으며 다음의 [수학식 5]처럼 표현된다.
Pcore=Pcore', Pclad=Pclad'
결론적으로, 수학식 2 및 3으로부터, 열적 확산 공정을 거치면서 파라미터 ncore가 감소함으로 인해, neff 가 감소하게 되며 이를 이용한 것이 본 발명의 주된 원리이다. 이런 현상과 동시에 열적 확산 과정을 거친 광섬유 코어 내에서 격자의 반사 파장은 열적 확산 과정을 거치지 않은 광섬유 코어를 갖는 격자의 반사 파장 값보다 반드시 작게 되는 부수적인 특성을 나타내기도 한다.
이하 도 4를 참조하여 상기 기본원리를 사용하여 실제로 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 제작하는 세부 과정을 기술한다.
첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작을 위해서는 먼저, 광섬유 내 코어에 첨가된 불순물의 열적 확산을 위해 열처리를 수행하여야 한다. 열처리가 수행된 이후의 유효 굴절율 및 코어와 클래드의 분포가 도 4a에 표현되어 있다. 이 과정에서 가장 중요한 것은 광섬유의 길이 방향을 따라 비균등한 온도 분포를 갖는 열원을 사용하는 것이다. 이러한 열원을 사용해야지만 도 4a에 표현된 바와 같이 광섬유의 길이방향으로 유효 굴절률의 연속적인 변화가 가능하기 때문이다. 이러한 과정을 거친 후에, 균등한 주기를 갖는 광섬유 브라그 격자를 열적 확산이 일어난 광섬유 코어에 형성하게 된다. 이에 대한 개략적인 그림이 도 4b에 잘 나타나있다. 광섬유 브라그 격자를 형성한 후의 반사 파장 λB가 도 4c에 표현되어 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 반사 파장 λB의 완만한 변화를 얻을 수 있다.
본 발명에 따라 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 제작할 경우 열적 확산 정도에 따라 그 특성이 매우 다양해 질 수 있다. 구체적으로, 열적 확산 정도를 달리하는 방법을 다음에 명기하였다.
1) 제한된 시간 내에서 열원의 온도를 가변하는 방법
2) 제한된 시간 내에서 동일한 온도를 갖는 열원을 이용할 경우 시료로 사용될 광섬유와 열원사이 거리를 가변하는 방법
3) 시료 광섬유와 열원 사이의 거리는 고정시키고 가열 시간을 가변하는 방법
또한, 이런 방법을 이용하여 제작되어진, 첩핑된 광섬유 브라그 격자의 성능은 열적 확산 정도 뿐 아니라 실제 사용된 광섬유의 특성에도 의존하는 경향을 갖는다. 반사 대역폭이 수 나노미터에 이르는 매우 높은 첩핑 비를 갖는 격자를 얻기 위해서는 사용되는 광섬유의 여러 파라미터들을 최적화시켜야 한다. 즉, 격자의 첩핑 특성은 열적 확산 공정으로 인한 유효 굴절률의 변화량에 의존하게 되는데, 이는 다시 말해서, 코어 굴절률의 감소가 첩핑된 광섬유 브라그 격자의 대역폭을 결정한다는 뜻이 된다. 다음에 격자의 반사 파장 변화와 광섬유 파라미터들 사이의 관계에 대하여 기술하였다. 여기서, 실제 측정의 편의상, 확산 정도를 표현하는 파라미터로서 코어의 굴절률 대신 모드 필드 직경을 사용하였다. 광섬유가 계단형 굴절률 분포를 갖는다고 가정할 경우, 유효 굴절률은 광섬유의 차단 주파수(cut-off frequency), λc와 코어의 직경, a를 이용하여 계산이 가능하다. 이에 대한 내용을 대략적으로 요약하여 다음의 수학식 6 내지 9에 표현하였다.
수학식 6 및 9에서 Δ는 코어와 클래드 사이의 상대적인 굴절률 차이를 나타내는 것이고, ω0는 모드 필드 직경을 나타내는 것이다. 수학식 1, 및 수학식 6 내지 9를 이용할 경우 브라그 격자의 반사 파장을 계산해 낼 수 있으며, 궁극적으로는 차단 주파수가 각기 다른 광섬유에 대해 코어 직경과 반사 파장 사이의 관계를 보다 명확히 계산해 낼 수 있게 된다. 즉, 광섬유 자체가 갖는 고유 파라미터인 차단 주파수가 일정하다고 할 때, 코어 직경이 열적 확산 과정으로 인해 증가하게 되면 유효 굴절률이 감소하게 되고, 유효 굴절률이 감소하게 되면서 비례관계에 있는 격자의 반사 파장이 단파장 쪽으로 이동하는 관계를 갖게 된다. 또한 광섬유의 차단 주파수는 광섬유의 V 파라미터에 의해 결정되는데, V 파라미터는 열적 확산 과정동안 일정한 값을 유지하므로, 결국 기술한 바와 같이 반사 파장은 코어 직경의 증가에 따라 단파장 쪽으로 천이하게 된다. 따라서 높은 첩핑 비를 갖는 격자를 제작하기 위해서 광섬유는 다음의 조건을 만족시켜야 한다. 첫 째로는 열적 확산 과정을 거치기 전에는 초기 모드 필드 직경이 가능한 작아야 하고 열적 확산 과정을 거치고 난 후에는 가능한 커야 한다. 두 번째로는 광섬유의 차단 주파수가 가급적 커야 한다.
이하 본 발명에 따른 제조 실시 예를 설명한다.
본 제조 실시 예에서 사용한 광섬유의 특성을 표 1에 나타내었다.
개구수(numerical aperture) 0.20
차단 파장(cutoff wavelength) 1250±50nm
모드 필드 직경(@ 1550nm) 8.4±0.5um
코어 대 클래드 차이 <0.7um
클래드 직경 124.7±1.0um
코팅 직경 250±2.0um
표 1에서 제시한 규격을 갖는 광섬유가 준비되면, 열적 확산 공정을 수행하기 위해 클래드 외부에 씌어진 폴리머 계열의 코팅(재킷)을 벗겨낸다. 이 때 코팅이 벗겨지는 영역의 전체 길이는 확산 공정뿐만 아니라 광섬유 격자 형성 과정을 함께 고려하여 충분한 길이 확보가 될 수 있도록 해 주어야 한다. 본 실시 예에서 열적 확산 공정을 위해 사용한 열원은 일반적인 용융-인장형 광섬유 커플러를 제작할 때 사용하는 산-수소 토치 불꽃으로서 불꽃 크기가 길이 방향으로는 대략 10 mm정도이다. 따라서 최소 길이가 10mm이상이 되도록 코팅을 벗겨내야 한다. 게다가 확산 공정 후에 수행하는 광섬유 격자 형성 공정을 위해서는 위상마스크와 함께 고출력의 자외 광선을 제공하는 엑시머 레이저를 사용하게 되는데, 만일 광섬유의 코팅을 벗겨내지 않고 위상마스크에 광섬유를 밀착하여 엑시머 레이저를 조사하게 되면 격자가 형성 되지도 않을뿐더러 폴리머 계열의 광섬유 코팅이 용융되어 위상마스크 표면에 흡착되는 현상이 발생하므로, 위상마스크를 차후에는 쓸 수 없게 되는 결과가 초래된다. 이런 점을 고려하여 위상마스크 기판 전체의 길이만큼 광섬유의 코팅을 벗겨내야 한다. 이와 관련된 구체적인 그림을 도 5에 잘 나타내었다. 본 실시 예에서 사용한 위상 마스크의 경우, 위상 마스크 기판 내에서 실제로 격자가 차지하는 부분의 길이는 약 10mm이지만, 격자가 내장된 위상 마스크 전체 기판의 길이는 약 30mm정도이다. 즉, 전체적으로 30mm 정도의 길이가 열적 확산 공정 및 광섬유 격자 형성 공정을 위해 코팅이 벗겨져야 한다.(도 5에서 볼 수 있듯이 확산을 위한 길이는 위상 마스크 기판을 위한 길이 내에 포함되므로 최소 길이를 30mm로 하였다.) 하지만 전체적으로 안정적인 각 공정의 수행을 위해 약 15mm의 마진을 더 두어 광섬유의 코팅은 약 45mm정도를 벗겨내었다. 코팅이 벗겨진 광섬유는 열적 확산 공정 수행을 위해 곧바로 용융-인장형 광섬유 결합기 제조 시스템 내에 장착한 후, 광섬유 결합기 제작시 용융 공정을 위해 주로 사용되는 산-수소 토치 불꽃을 이용해 재킷이 벗겨진 부위에 열을 인가해 주었다. 이 때, 확산 정도를 정확히 제어하는 것이 매우 중요한데, 본 실시 예에서는 기술한 것처럼, 1)가열 시간 조절, 2)산-수소 토치 불꽃의 높이 조절(광섬유와 토치 불꽃 사이의 거리 조절)등의 방법을 사용하여 광섬유 코어의 확산을 도모하였다.
먼저 불꽃으로 광섬유를 가열하는 시간을 약 1분에서 30분까지 변화시켜 가며 코어 확산 정도를 살펴보았다. 코어가 확산된 정도를 확인하기 위하여 코어 확산이 일어난 중심부에 빛을 조사하여 확인하는 파-필드(far-field) 기술을 사용하였다. 가열 시간에 따라 확산된 코어 직경 및 클래드 직경의 변화를 위의 표 2에 나타내었다. 그리고 도 6a에는 확산 공정 수행 전의 광섬유 단면을, (b)에는 30분 동안 확산 공정 수행 후의 광섬유 단면을 나타내었다. 도 6a에서 도면부호 21은 코어의 직경을, 도면부호 22는 클래드 직경을 의미한다. 도 6b에서 도면부호 23은 코어의 직경을, 도면부호 24는 클래드 직경을 의미한다.
가열 시간 코어 직경[um] 클래드 직경[um]
0분 8.42 126.31
1분 8.42 125.26
2분 9.47 125.26
3분 12.63 126.31
4분 12.66 126.31
5분 14.74 125.26
7분 16.84 125.26
10분 18.22 125.26
15분 21.05 125.26
20분 22.10 126.31
25분 24.21 124.20
30분 28.42 124.20
앞서 기술한바와 같이 용융 시간이 증가하면 광섬유 코어에 존재하는 불순물의 확산으로 인해 코어의 직경이 가열 시간에 거의 비례적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 클래드의 직경은 약 20분까지는 거의 변화가 없으나 25분 이상 확산 공정을 수행할 경우 뚜렷한 변화가 발생함을 알 수 있었다.
다음의 표 3에는 용융 시간을 약 3분으로 고정하고 산-수소 토치 불꽃과 용융 되는 광섬유 사이의 거리를 변화시켰을 때, 확산 된 코어의 직경에 관한 결과를 나타내었다.
토치 불꽃의 높이 코어 직경[um] 클래드 직경[um]
가열 전 8.42 125.26
13000um 10.52 126.31
13500um 10.53 125.26
14000um 12.63 126.31
14500um 12.63 125.26
15000um 12.63 126.31
15500um 12.63 126.31
표3에서 볼 수 있듯이 토치의 높이가 증가할수록 확산된 코어 직경이 점차 증가하다가 14000um 이상에서는 그 값이 더 이상 증가하지 않고 일정한 값을 유지하는 경향을 보인다. 이 결과를 통해 토치의 높이가 높아질수록 토치 속 화염의 온도가 증가함을 알 수 있으며, 이러한 온도 증가는 일정 한계를 갖고 있어서, 이 한계 값을 지나게 되면, 더 이상의 온도 증가는 없는 것으로 판단된다.
용융 과정을 통해 광섬유 코어 내에 존재하는 불순물을 확산시켜 코어 직경 및 코어의 유효 굴절률 변화가 완료된 광섬유가 확보되면 광섬유 격자 형성 과정을 수행한다. 본 실시 예에서 광섬유 격자 형성을 위해 사용한 장치의 개략도를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타낸 것처럼, 248nm의 발진 파장 대역을 갖는 엑시머 레이저(31)를 자외선 광원으로 사용하였고, 실험의 편의를 위하여 레이저에서 출력된 빔을 자외선 거울(ultraviolet ray mirror)(32)를 사용하여 90° 회전시켜 원통형 렌즈(33)에 입사시켰다. 원통형 렌즈(33)는 빔의 에너지 밀도 조절을 위해 사용하였다. 원통형 렌즈의 초점 거리를 조절하여 원하는 에너지 밀도를 갖는 빔이 만들어지면, 이를 위상마스크(34)에 입사시킨다. 위상마스크(34)에 입사된 빔은 마스크 자체의 회절 특성에 따라 적절히 마스크를 통과하여 광섬유(35)에 전달된다. 또한, 제작되는 첩핑된 광섬유 브라그 격자의 동작 특성을 실시간으로 관찰하기 위해서 광섬유의 한쪽은 광대역 광원(36)을 연결하였고 다른 나머지 한쪽은 광 스펙트럼 분석기(37)를 연결하였다. 투과 스펙트럼을 관찰할 때는 위에서 언급한 장치 구성을 사용하였고 반사 스펙트럼을 관찰할 때는 광순환장치(optical circulator)를 사용하여 브라그 격자에서 반사된 광 스펙트럼을 측정하였다.
지금까지 기술한 방법으로 제작된, 첩핑된 광섬유 브라그 격자의 성능은 도 8 및 9의 반사 스펙트럼을 통해 파악할 수 있다. 도 8은 열적 확산 공정을 거치지 않은 광섬유 시료에 격자를 형성한 후 측정한 반사 광 스펙트럼이고, 도 9는 3분 동안 열적 확산 공정을 거친 광섬유 시료에 격자를 형성한 후 측정한 반사 광 스펙트럼이다. 도 8을 통해 열적 확산을 거치지 않고 주기가 1060nm인 위상 마스크를 이용하여 격자를 형성했을 때 반사되는 광의 중심 파장은 1541.08nm 이었고 , 3dB 반사 대역폭은 0.49nm임을 알 수 있다. 반면에, 3분 동안 열적 확산 과정을 거치고 동일한 주기를 갖는 위상 마스크를 이용하여 격자를 형성했을 경우, 반사되는 광의 중심 파장은 1537.39nm 이었고, 3dB 반사 대역폭은 1.53nm로 약 3배 정도 증가하였음을 알 수 있다.
상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의한 광섬유 브라그 격자 제작 방법은 기존에 첩핑된 광섬유 격자를 제작할 때 주로 사용하던 정밀한 광학계나 주기가 길이에 따라 변화하는 고가의 첩핑된 위상 마스크 없이도 손쉽고 경제적으로 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 제작할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 광섬유 브라그 격자 제작 방법은 파장 분할 다중화(WDM, wavelength division multiplexing) 기반의 고속 광통신 시스템에서 저가의 광대역 반사기 및 광섬유 색분산 보상기 등에 응용될 수 있다는 장점이 있다.
도 1 내지 2는 종래기술에 의하여 첩핑된 광섬유 브라그 격자를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 열적 확산 과정을 거치기 전과 후의 광섬유 굴절률 분포를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 광섬유 코어에 첨가된 불순물의 열적 확산 과정을 이용한 첩핑된 브라그 격자 제작 원리를 도시한 도면이다.
도 5는 열적 확산 및 광섬유 격자 형성 공정을 고려하여 광섬유 피복 탈피 길이를 도시한 도면이다.
도 6은 열적 확산 공정 수행 전의 광섬유 단면과 30분 동안 열적 확산 공정을 수행한 후에 변화된 광섬유 코어 직경을 보여주는 광섬유 단면을 도시하였다.
도 7은 광섬유 브라그 격자 형성 공정 수행을 위한 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 열적 확산 공정을 거치지 않은 광민감성 광섬유에 브라그 격자를 형성한 후 측정한 반사 광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 9는 3분 동안 열적 확산 공정을 거친 광섬유 시료에 격자를 형성한 후 측정한 반사 광 스펙트럼을 도시한 도면이다.

Claims (11)

  1. 광섬유 중에서 소정 영역에 위치한 코아 및 클래드를 가열하여 상기 소정 영역에 위치한 코아 내에 존재하는 불순물을 상기 클래드로 확산시키는 확산 단계; 및
    광원 및 주기가 균등한 위상 마스크를 사용하여 단주기 광섬유 브라그 격자를 형성하는 격자 형성 단계를 포함하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 마스크는 주기가 균등한 위상 마스크이고, 상기 광섬유 브라그 격자는 단주기 광섬유 브라그 격자인 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  3. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 소정 영역의 가열은 산-수소 토치 불꽃, 탄산가스 레이저 및 전기 유도 저항성 금속 중 어느 하나를 열원으로 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  4. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 확산 단계에서 이루어지는 확산의 정도를 제어함에 있어서, 열원의 온도를 조절하는 방법, 가열 시간을 조절하는 방법 및 열원과 광섬유 사이의 거리를 조절하는 방법 중 어느 한 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  5. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 확산 단계에서 가열의 정도를 조절함으로써 첩핑 비를 조절하는 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  6. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 격자 형성 단계는
    광원에서 빛을 형성하는 단계;
    원통형 렌즈에 상기 빛을 통과시키는 단계; 및
    상기 원통형 렌즈를 통과한 빛을 위상 마스크를 통과시켜 광섬유에 전달되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  7. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 불순물이 게르마늄인 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  8. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 소정 영역의 가열은 광섬유의 길이 방향으로 비균일한 온도로 가열하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  9. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 광원은 자외선 광원인 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  10. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 확산 단계 이전에 상기 클래드 외부를 감싸고 있는 재킷을 벗겨내는 재킷 제거 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    재킷을 벗겨낸 영역의 길이는 열원의 직경 또는 위상마스크 기판 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 첩핑된 광섬유 브라그 격자 제작 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101052352B1 (ko) * 2009-04-20 2011-07-27 한국과학기술원 초기 응력을 이용한 광섬유 센서 제작 방법
CN112068240A (zh) * 2020-09-07 2020-12-11 桂林电子科技大学 一种长周期啁啾光纤光栅及其制备方法

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