KR20050092286A - 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빛을 전송하는 광섬유와 이를 이용한 광통신 분야에 관한 것으로, 도파로의 길이 축으로 순차적으로 보았을 때 입력 광섬유로부터 다수의 모드에 의해 입사광이 입력되고, 코어의 단면 크기 혹은 굴절률이 점진적으로 줄어드는 전이영역(transition region)과, 단파장에서도 단일한 모드만을 지원하는 단일모드 영역(single-mode region)과, 다시 코어의 단면 크기 혹은 굴절률이 회복되는 또 다른 전이영역으로 구성된 구조를 가지고, 단파장의 고차 모드의 빛이 단일모드 영역에서 클래딩으로 빠져나가고 다시 코어로 돌아오지 못하게 하여 고차 모드의 광파워를 제거하고, 제거되지 않은 기저 모드의 빛을 다시 광섬유에 출력하는 것을 특징으로 하는 광섬유 고차 모드 제거 필터를 제공한다. 이는 특히 광섬유에 길이방향으로 코어와 클래딩의 직경이 줄어들었다가 다시 회복되는 테이퍼한 허리(tapered waist) 형태의 구조와 클래딩 외부에 클래딩과 굴절률이 같거나 높은 클래딩 외피를 줌으로써 쉽게 구현된다. 본 발명에 의하면, 단일모드가 아닌 파장 대역에서 광섬유에 단일모드 전송의 특성을 부여하여 광신호의 전송에 이득을 제공하고, 특히 단파장의 광신호를 모드-분산(modal dispersion)없이 고속 변조로 전송할 수 있다.

Description

고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조{SINGLE MODE OPTICAL FIBER STRUCTURE HAVING HIGH-ORDER MODE EXTINCTION FILTERING FUNCTION}

본 발명은 광통신 분야에서 전송매체로 이용되는 광섬유의 구조적인 특징에 관한 것으로, 특히 표준화된 단일모드 광섬유로 단파장 영역에서 단일모드 전송 특성을 얻을 수 있는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조에 관한 것이다.

광통신의 전송매체로 이용되는 광섬유는 유전체로 된 코어(fiber core)와 코어보다 굴절률이 낮은 클래딩(fiber cladding)이 동심 원통 형태로 구성되어 있으며, 클래딩에 비해 상대적으로 높은 코어의 굴절률로 인해 원통 축 방향으로 빛이 전송될 수 있다.

광통신에서 사용되는 광섬유는 광섬유 길이 방향 또는 빛의 전파 방향에 대해 수직 축으로 하나의 기저 모드(fundamental mode)를 갖는 단일모드 광섬유와 다수의 모드를 갖는 다중모드 광섬유로 구분될 수 있다. 단일모드 광섬유의 경우 전송되는 광신호가 모두 하나의 기저 모드에 의해 이뤄지므로 모드간 시간지연에 따른 모드 분산(modal dispersion)이 없어 넓은 대역폭을 가지게 된다. 단일모드 광섬유는 현재 장거리 광통신의 주요 전송매체이며 최근에는 단거리 광통신에서도 활용도가 증가하고 있다.

광섬유는 정규화 주파수(normalized frequency) 또는 V-넘버(V-number)에 의해 특징지어 진다. 계단형 굴절률 분포(step-index profile)를 갖는 광섬유에 대해 코어의 굴절률을 n₁, 클래딩의 굴절률을 n₂, 코어의 반경을 a, 광원의 파장을 λ라고 할 때, V는 다음 수학식 1로 표현될 수 있다.

만일 V가 2.405보다 작으면 코어에 하나의 전송모드만을 가지게 된다. 즉, 주어진 광섬유 조건에서 파장이 이보다 길면 단일 모드 조건이 되는 특정한 차단 파장(cutoff wavelength) λ_c가 존재하게 된다.

따라서, 단일모드 광섬유는 통상 차단 파장보다 장파장의 빛을 이용하며, 단일모드 광섬유라도 차단파장 이하의 단파장에서는 다중모드 광섬유가 되어 모드 분산의 특성이 나타나게 된다(참고문헌 : K. Okamoto, "Fundamentals of Optical Waveguide", Academic Press, San Diego, 2000).

통상의 단일모드 광섬유는 차단 파장이 1.1∼1.2㎛ 정도이고 1.3㎛와 1.5㎛부근의 파장의 광원을 주로 이용한다. 이하에서는 이러한 광섬유를 "표준 단일모드 광섬유"라 칭하기로 한다. 표준 단일모드 광섬유보다 코어의 반경이 작으면 차단 파장은 짧아지게 되어 850nm 정도의 파장에서도 단일모드 특성을 가질 수 있으나, 이러한 단파장 단일모드 광섬유는 널리 이용되고 있지 않다. 단파장이라 함은 표준화된 단일모드 광섬유의 차단 파장, 1.1∼1.2㎛보다 짧은 파장으로 특히, 반도체 레이저 광원을 쉽게 구할 수 있는 600∼1000nm 사이의 파장을 말한다.

표준 단일모드 광섬유에 차단 파장보다 단파장의 빛, 예를 들어 850nm의 빛이 입사되면 표준 단일모드 광섬유는 다수의 모드를 가지게 된다. V-넘버가 2.4에서 3.3 사이이면 선형 편광 LP 모드(Linearly-polarized mode) 관점에서 LP₀₁과 LP₁₁, 2개의 모드를 가지게 된다. 그리고, V가 3.3보다 크고 5.0 사이인 정도이면 LP₀₁, LP₁₁, LP₀₂, LP₂₁, 4개 정도의 모드를 가지게 된다.

파장과 V-넘버가 반비례 관계이므로 1.3㎛의 차단 파장을 갖는 단일모드 광섬유는 650nm 파장에서 V는 4.8이 될 것이다. 고로, 표준화된 단일모드 광섬유는 650nm 파장에서 V가 4.8보다 작을 것이고 대략 4.5에서 4.8 사이가 된다. 이 영역에서는 4개의 LP 모드가 가능하게 된다. 850nm에서는 V-넘버가 3.4에서 3.7정도로 3개 정도의 LP 모드가 가능하게 된다.

이와 같이 표준 단일모드 광섬유는 단파장에서 4개 이하의 모드를 가지게 된다.

한편, 단파장에서 광섬유를 통해 전파되는 빛이 항상 단일한 모드로 전송될 수 있도록 구현한다면, 다음과 같은 이점들을 얻을 수 있다.

광섬유를 통해 단일한 모드 특히, 기저 모드로 빛을 도파 시키면 빔의 품질을 떨어뜨리지 않고 원거리로의 전송이 가능하다. 특히, 원통형 구조의 광섬유의 기저 모드는 가우시언 빔(Gaussian beam)과 유사한 수직 전기장 분포를 가지고 있어서 렌즈를 통해 변형 없이 처리할 수 있고, 모드간 결합에 의한 잡음 추가가 없기 때문에, 광학적 측정 장치의 광신호의 연결에 유용하게 적용될 수 있다. 게다가, 모드간의 전파 시간차에 의해 발생하는 모드 분산(modal dispersion) 문제가 발생하지 않으므로 광통신 분야에서 다양하게 활용될 수 있다는 이점이 있다.

단파장의 빛을 광섬유를 통해 단일 모드, 특히 기저 모드로 보내기 위한 종래의 방법으로는 다음과 같은 것이 있다.

첫 번째 방법은 차단파장이 단파장인 새로운 종류의 단일모드 광섬유를 사용하는 것이다.

단파장에서 단일모드인 광섬유는 코어의 반경을 줄이거나 코어와 클래딩의 굴절률차를 줄임으로써 제작이 가능하다.

하지만 이 방법은 시중에서 구하기 힘든 표준적이지 않은 특별한 광섬유를 별도로 마련해야 한다는 점에서 문제를 갖는다. 뿐만 아니라 1.5㎛ 이상의 장파장의 빛에 대한 구부림 손실(bend loss)이 크기 때문에 비록 단파장에서 단일모드의 전송특성을 얻는다 하더라도 장파장의 사용을 포기하는 수밖에 없다.

단파장의 빛을 광섬유를 통해 단일 모드로 보내기 위한 두 번째 방법은, 기저 모드를 제외한 나머지 모드들, 즉 고차 모드들이 갖는 광파워를 특별한 광소자를 통해 광섬유에서 제거하는 것이다.

4개 가량의 적은 수의 모드를 갖는 다중모드 전송에서는 광섬유 자체에서는 모드간의 큰 유효 굴절률(effective index)의 차이로 인해 별다른 모드간 결합(inter-mode coupling)이 없다고 볼 수 있다. 때문에 기저 모드를 제외한 고차 모드를 제거할 수 있다면 전송 시스템은 실질적으로 단일 모드 전송이 된다. 이 점에서 고차 모드를 선택적으로 광섬유에서 제거하는 방법의 사용이 가능하다.

비록 광섬유 자체는 단파장에서 다중모드를 가지게 되나 실제 광신호는 기저 모드를 통해서만 전달되도록 고차 모드 제거 필터가 기능하므로 이것은 유사 단일모드 전송이라고 할 수 있다. 이 방법은 새로운 종류의 광섬유를 필요치 않고 오직 기존에 사용되고 있는 표준 단일모드 광섬유에 적절한 고차 모드 제거의 수단을 추가하여 단파장 영역에서 단일모드 전송의 특성을 얻는다는 점에서 경제적인 방법이다.

고차 모드를 제거하기 위해서 기존에 제안된 방법으로는 우선 구부림에 의한 제거 방법이 있다(참고문헌: US Patent No. 5,013,118 "Filtering high order modes of short wavelength signals propagating in long wavelength single mode fibers"). 구부림에 의한 손실은 그 유효굴절률이 낮은 모드가 더 크게 얻게 되므로 고차 모드가 더 큰 구부림 손실을 갖게 된다. 이 방법은 적절한 구부림의 양만 결정하면 되므로 쉽게 구현될 수 있다.

그러나 장파장의 기저 모드 역시 단파장의 기저 모드에 비해 큰 구부림 손실이 발생한다. 예를 들어, 850nm의 고차 모드를 제거하기 위한 구부림은 필연적으로 1550nm의 기저 모드로 도파되는 빛에도 손실을 주게 된다.

고차 모드를 제거하기 위한 다른 방법으로는 광결합(optical coupling) 특성을 이용한 제거 방법이 있다. 광결합 커플러(fiber-optic coupler)나 광섬유 격자(fiber grating devices) 등의 소자들은 모두 이러한 광결합 특성에 의존하고 있는데, 이 특성을 이용하면 저차 모드나 고차 모드만을 원하는 모드로 결합시킬 수 있기 때문에 고차 모드 제거의 특성을 가지도록 설계할 수 있다. 예를 들어, 고차 모드들만을 클래딩 모드와 결합하도록 광결합의 기술을 이용하면 고차 모드를 코어에서 제거할 수 있다.

이 방법은 기술 적용이 용이하다는 점에서 장점이 있지만 광결합의 특성이 근본적으로 파장 의존성을 지닌다는 점을 충분히 고려하지 않고 있다. 예를 들어, 파장이 850nm에서 이상적인 고차 모드 제거의 특성을 보일 때 650nm에서는 고차 모드를 완전히 제거하지 못하게 되며, 이는 불가피하게 장파장, 예를 들어 1550nm의 기저 모드의 광파워 역시 제거될 가능성을 안고 있다.

이상과 같이, 단파장의 빛을 광섬유를 통해 단일 모드로 전송하기 위한 종래의 방법에서는 상술한 바와 같은 근본적인 문제들이 존재하기 때문에 이를 최소화하기 위한 보다 구체적인 설계 및 구현 기술이 요구된다.

본 발명은 상술한 요구에 의해 안출한 것으로, 넓은 파장 영역에서 효과적으로 고차 모드를 제거하면서, 차단파장보다 장파장의 영역에서는 단일 모드에 의한 전송 능력에 문제가 없는 특성을 갖는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광이 도파되는 코어와 코어보다 굴절률이 낮은 클래딩부로 구성된 광학적 도파로(optical waveguide)에 있어서, 광을 입사시키는 입력 단일모드 광섬유로부터 다수의 모드를 통해 광이 입사되고, 입사된 광이 코어를 통해 전파되면서 점진적으로 상기 코어의 단면 크기 또는 상기 코어의 굴절률 또는 상기 단면과 굴절률이 함께 줄어드는 전이영역(transition region)과, 코어에 기저 모드, 즉 단일한 모드만을 가지는 단계까지 줄어드는 단일모드 영역(single-mode region)과, 최종적으로 다시 코어의 단면 크기 혹은 코어의 굴절률 혹은 이 둘이 함께 점진적으로 증가하여 다시 원래의 값으로 회복되는 또 하나의 전이영역을 가지고 이렇게 순차적으로 통과된 빛을 받는 출력 단일모드 광섬유에 입사되는 구조에서, 입사되는 기저 모드를 제외한 고차 모드들이 단일모드 영역에서 클래딩에 의해 도파되는 클래딩 모드(cladding modes) 혹은 도파되지 않는 복사 모드(radiation modes)가 되도록 하여 다시 코어부로 재입사되지 않도록 하여 고차 모드에 의해 도파되는 빛을 제거하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 광섬유 구조는, 그 양단에 입력 광섬유와 출력 광섬유로 연결되어 사용되는 하나의 광소자로 입력 광섬유에 다수의 모드로 광이 입사되는데 반해 출력 광섬유측에서는 더 이상 고차 모드에 광이 실리지 않고 오직 기저 모드만을 통과시키는 기저 모드 통과 필터로서 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

설명에 앞서, 본 발명에서 제시하는 필터의 도파로 구조는 여러 가지를 고려할 수 있으나 입사 중에 모드 결합을 피하기 위해서는 입력 또는 출력 단일모드 광섬유와 같은 구조를 전이영역의 입력 및 출력부에서 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 가장 이상적인 도파로 구조는 본 발명이 제시하는 고차 모드 제거 필터와 연결되어 사용될 광섬유 그 자체이다. 또한, 현실적으로 입력 단일모드 광섬유와 출력 단일모드 광섬유는 동일한 종류의 광섬유인 경우만 생각할 수 있을 것이다.

이러한 구조의 필터는 입력 또는 출력 단일모드 광섬유와 동일한 종류의 단일모드 광섬유를 가공하여 제작하는 것이 가능하고 또한 이러한 방법이 가장 이상적일 것이다. 특히, 광섬유 코어의 단면 크기를 점진적으로 줄이는 것은 이미 제작된 광섬유를 2차 가공하여 쉽게 제작할 수 있고, 이러한 방법으로 본 발명이 제시하는 고차모드 제거를 위한 구조를 생성하는 것이 경제적인 방법이다.

본 발명에서는 단일모드 광섬유의 일정 부분에 열을 가하면서 양쪽 방향으로 잡아 당겨 늘림으로써 테이퍼한 허리(tapered waist) 형태의 구조를 형성한다. 즉, 길이축으로 점진적으로 그 반경이 줄었다가 다시 회복되는 절구통과 같은 형상이다.

이러한 테이퍼한 허리 형태의 구조는 중심부에 단일모드 영역을 갖도록 할 수 있고 그 양측으로 전이영역을 갖게 된다. 이 테이퍼한 허리 형태의 구조는 코어와 클래딩의 구조를 가지고 있고 각각의 굴절률은 늘리기 전과 거의 동일하다. 그러나 코어의 반경은 줄어들게 되고 이에 따라 허리 부분의 V-넘버는 줄어들게 된다.

단일모드 영역을 만들기 위해 고려되어야 할 사항은 허리 중심부의 최소 광섬유 직경이다. 허리 부분의 V-넘버를 650nm 파장에서 단일모드가 되도록 하기 위해서는 허리부분의 코어와 클래딩 반경이 늘리기 전에 비해 절반 정도가 되면 된다.

이러한 단일모드 영역에서 단파장의 빛들도 코어에서 역시 기저 모드만을 가진다. 나머지 모드들은 모두 클래딩의 경계면에 의해 도파되는 클래딩 모드로 결합된다. 일단 클래딩으로 제거된 고차모드들은 다시 코어로 재결합될 가능성이 낮다.

그러나, 다시 전이영역을 거치면서 코어로 재결합될 가능성은 다소나마 존재하며 또한 이 재결합은 파장 의존성을 가지고 있으므로 고차모드 제거의 특성은 파장의존성을 띄게 된다. 고로 단일모드 영역에서 클래딩 모드가된 고차 모드들을 확실히 제거해주는 과정이 더해지면 더욱 확실한 고차 모드 제거 특성을 가질 것이다.

허리 부분의 클래딩을 클래딩과 굴절률이 같거나 더 높은 물질인 클래딩 외부(cladding coating)로 둘러싸서 클래딩 모드들을 이 클래딩 외피쪽으로 제거한 후에 여기서 산란, 흡수 등의 감쇄 작용을 하도록 하면 제거된 광이 다시 클래딩을 거쳐 코어로 재결합될 가능성을 제거할 수 있다.

즉, 본 발명에서 제시하는 고차 모드 제거 방법은 단일모드 광섬유의 중간 지점에 원래의 광섬유 구조와 굴절률의 차이를 유지하나 다만 그 직경축으로 길이가 점진적으로 축소되는 테이퍼한 허리(tapering waist) 형태의 구조를 만들고 이러한 허리 형태의 클래딩 외벽에 클래딩보다 굴절률이 더 높거나 같은 물질의 외피를 입혀, 단일모드 광섬유 내에서 전파되는 고차 모드들이 이 허리부분을 지나면서 그 부분의 축소된 코어 반경으로 인해 더 이상 코어에 의해 도파되는 코어 모드가 되지 못하고 클래딩과 클래딩 외피로 제거되도록 하는데 특징이 있다.

이때, 한번 클래딩 외피로 제거된 광신호는 다시 코어로 되돌아 올 수 없게 되고, 반면 코어의 기저 모드는 이 잘록한 허리 부분을 지나면서 거의 영향을 받지 않게 된다. 여기서 잘록한 허리의 중심부분에서 광섬유의 최저 반경의 값은 사용하고자 하는 단파장의 빛이 이 최저 반경 값에 대해 코어에 기저 모드만이 여기할 수 있는 값으로, 즉 V-넘버가 2.405보다 작은 값이 되는 광섬유 반경보다 작아야 한다.

본 발명에 따른 방법이 구부림에 의해서나 모드결합 방법에 의해 고차 모드를 제거하는 방법에 비해 갖는 장점은 다음과 같다.

첫째, 테이퍼한 허리는 광섬유에 적절한 열(약 1400∼1700℃)을 가해주고 양쪽에서 잡아 늘리는 방법으로 생성할 수 있으므로 제조가 간단하다.

둘째, 본 방법은 코어의 기저 모드와 고차 모드가 갖는 근본적 특성을 이용한 것으로 파장에 대한 의존성이 작거나 거의 없다.

셋째, 흔히 모드결합에 의한 장치들이 보이는 온도 의존성 같은 문제가 없이 그 작동이 신뢰성이 있다.

넷째, 잘록한 허리는 그 길이가 5∼20cm 정도로 짧아 작은 소자로 제작이 가능하므로 그 부피와 무게가 작다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에서 제시하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 광섬유의 단면도이다.

도 1에서의 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 광섬유는 기본적으로 단일모드 광섬유를 이용하여 만든 광섬유 소자로서, 클래딩(cladding)(10)과, 표준 단일모드 광섬유 특성을 갖는 코어(core)(12)와, 클래딩(10)과 비슷하거나 약간 높은 굴절률을 갖는 클래딩 모드 제거 외피(14)로 이루어진다.

도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 광섬유는 코어(12)와 클래딩(10)을 갖는 표준 단일모드 광섬유의 중간 지점이 테이퍼한 허리(tapered waist) 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도면의 광섬유 구조를 영역별로 그 기능을 분류하면, I부분은 광이 입사되는 입력 광섬유이고, A는 첫 번째 전이영역, B는 단일모드 영역, C는 두 번째 전이영역이고, 마지막으로 O는 고차모드가 제거된 광출력을 내보내는 출력 광섬유이다.

도면 부호 16의 점선 화살표는 기하 광학적인 도시 방법으로 가상적 기저모드의 흐름을 표시한 것으로, 특성의 변화 없이 입력 광섬유에서 출력 광섬유로 통과하게 된다.

도면 부호 18의 점선 화살표는 고차모드의 흐름을 나타낸 것으로, 단일모드 영역에서 클래딩(10)으로 제거된 후에 다시 클래딩 모드 제거 외피(14)로 제거되고 그 내부와 표면에서 산란과 흡수를 거쳐 소멸되게 된다.

테이퍼한 허리 형태를 갖기 전의 코어와 클래딩의 직경이 각각 d와 D라고 했을 때, 허리 부분 즉, 단일모드 영역(B)에서의 코어와 클래딩 직경은 d_w와 D_w로 줄게 된다. 허리 부분의 코어 직경과 클래딩 직경의 비율은 허리가 없는 부분에서와 같다. 즉, d_w/D_w = d/D 이다. 이는 공히 '축소률'로 지칭된다.

이러한 허리 구조는 표준 단일모드 광섬유의 중간 지점에 1400도 이상의 고온을 주고 광섬유 양쪽에서 살짝 잡아당김으로써 구현될 수 있다. 이때 허리의 폭은 광섬유의 직경이 줄어들기 시작하는 지점의 양쪽 끝의 길이로서 도 1에서와 같이 W로 표기할 수 있다. 허리의 폭과 허리의 코어 직경은 제작시 광섬유에 고온이 얼마만큼의 폭으로 주어지는가와 양쪽에서 잡아당겨진 길이가 얼마인가에 의해 결정될 수 있다.

이렇게 제작된 도 1과 같은 허리에서는 V-넘버가 코어 직경이 줄어듦에 따라 같은 비율로 줄게 된다. 즉, 정규화 주파수, V는 축소률과 비례하여 줄게 된다.

이로써 650nm 정도의 단파장에 대해 허리 부분이 단일모드 조건을 가질 수 있게 된다. 1.2㎛ 파장에서 차단 파장을 갖는 표준 단일모드 광섬유에 경우 d_w가 d의 절반이 되면 600nm 이상의 파장에서 단일모드가 된다. 고로, 650nm에서 890nm 정도의 단파장의 이용을 고려한다면 허리 부분에서는 코어와 클래딩 직경을 1/2로 줄이면 된다.

이용하고자 하는 주된 단파장이 850nm이므로 허리 중앙에서의 최소 광섬유 직경은 줄이기 전의 광섬유 직경에 비해 3/4보다는 작아야 할 것이다.

이러한 허리 부분에서 고차 모드들은 클래딩 모드가 된다. 만약 클래딩 모드를 제거하지 않으면 이러한 클래딩 모드들은 다시 허리를 지나면서 코어의 모드와 재결합할 수 있다. 이를 막기 위해 허리에서는 클래딩 모드를 확실히 제거해 주어야 한다.

외피(13)는 클래딩(10)보다 굴절률이 같거나 높기 때문에 클래딩(10)의 모드들을 외피(13)쪽으로 잡아 빼게(strip out) 된다. 이런 광이 다시 코어의 모드와 결합하여 코어로 재진입하지 못하도록 하기 위해서는 외피(14)의 형태와 재질에 있어 주의가 필요하다.

첫째로, 클래딩 외피(14)의 직경은 클래딩보다 2배 이상 충분히 큰 것이 코어 모드와의 결합도를 낮춰준다. 또한, 클래딩 외피(14)와 클래딩의 배치가 회전대칭성을 가지지 않도록 클래딩이 클래딩 외피(14)의 중심에서 편심된 형태로 배치되는 것이 좋다. 동일한 효과가 클래딩 외피(14)의 외부 표면의 형상이 회전 대칭성을 가지지 않을 경우 발생한다.

이와 같이 클래딩 외피(14)의 형상이나 클래딩 외피(14) 내에서의 광섬유 배치는 모드 결합 이론을 사용하여 광이 광섬유 코어에 재진입할 확률을 최소화하도록 설계될 수 있다.

둘째로, 클래딩 외피(14)의 재질이 빛을 잘 흡수하거나 혹은 잘 산란시키는 재질이면 코어 모드와 결합되기 전에 클래딩 외피(14)에서의 광을 제거할 수 있다. 클래딩 외피(14)의 표면을 산란이 잘 일어나도록 거칠게 표면 처리를 해주는 것도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

전이영역(A, C)에서는 길이 방향으로 점진적으로 코어의 직경이 줄어들었다가 늘어난다. 이때 코어 직경의 변화률은 상당히 작아야 기저 모드가 손실을 얻지 않는다. 전이영역의 길이는 파장보다 충분히 길어야 하고 최소 100배 이상이어야 하므로 전이영역의 길이는 100μm이상이 될 것이다.

한편, 단일모드 영역의 길이는 길수록 더 확실히 고차 모드가 제거될 것이지만 기저 모드 역시 단일모드 영역에서 손실을 얻을 수 있으므로 너무 길지 않는 게 좋다. 때문에 허리의 폭, W는 최소 200μm 이상이 되어야 하고 실질적으로는 1∼10mm 정도가 바람직하다.

허리의 길이가 충분히 길고 따라서 허리를 만들기 위한 직경이 줄어드는 경사각이 충분히 작다면 기저 모드가 갖는 손실은 매우 작다. 따라서, 이 구간에서의 색분산(chromatic dispersion)이나 비선형 광학적(non-linear optical) 특성은 무시될 수 있으므로, 이러한 허리 구조는 장파장의 단파장 및 다파장 전송 능력에 저하를 가져다 주지 않는다. 다만, 약간의 광파워 손실을 가져올 수는 있다.

이러한 고차모드 제거 필터는 사용하고자 하는 단일모드 광섬유의 한 지점에 용융접합(fusion splicing)과 같은 방법으로 부착될 수 있다. 용융접합은 통상적으로 광섬유 연결에 흔히 사용되고 있고, 정렬오차가 0.5μm 이하이다. 이런 용융접합의 작은 정렬오차에 의해서는 제거된 고차모드가 기저모드와의 모드 결합에 의해 다시 광파워를 공급받을 가능성이 매우 작다. 때문에 고차모드 제거 필터는 이와 같은 방법으로 단일모드 광섬유에 쉽게 부착 설치될 수 있게 된다.

도 2는 790nm 파장에 대해 800m 길이의 단일모드 광섬유 링크에서 본 발명이 제시하는 고차-모드 제거 필터를 설치한 임펄스 응답 곡선 그래프(a)와, 본 필터를 설치하지 않은 경우의 임펄스 응답을 보이는 실험 결과 그래프(b)이다.

임펄스 응답이란 매우 짧은 시간폭을 갖는 광신호 펄스를 입력하고 800m 길이의 단일모드 광섬유를 통과한 후에 이를 고속의 광수신기로 받아서 시간축에서 살펴본 것이다.

고차 모드 제거 필터를 사용하지 않은 그래프(b)에서 광신호는 단일모드 광섬유에서 다수의 모드(여기서는 2개)를 통해 전파되어진다. 모드간의 전파속도가 다르므로 그림에서와 같이 두 개의 펄스가 임펄스 응답으로 나오게 되고, 각각은 하나씩의 모드에 해당한다.

반면 단일모드 광섬유의 한 지점(여기서는 입력측)에 본 발명이 제시하는 고차-모드 제거 필터를 장착한 그래프(a)에서는 하나의 펄스만이 관찰되며 이것은 저차 모드가 제거되었음을 의미한다.

본 발명에서는 800m 길이의 1100nm에서 차단파장을 갖는 표준 단일모드 광섬유의 송신측에 1mm의 허리 길이와 50㎛의 허리폭을 갖는 고차 모드 제거 필터 하나를 설치하여 전송링크를 꾸몄다. 여기에 790nm의 파장을 갖는 임펄스(impulse) 광신호를 인가하고 수신측에서 그 응답을 관찰하여 위 그래프를 얻었다.

위 실험 결과는 제작된 고차 모드 제거 필터가 고차의 모드의 광파워를 완전히 제거하고 기저 모드의 광파워는 거의 손실을 주지 않음을 보여준다. 원리상 이러한 특성은 790nm에서 차단파장인 1100nm까지 나타날 것이다.

실험 결과는 또한 이러한 필터가 1300nm에서 1600nm의 파장까지의 영역에서 1dB 이내의 적은 추가 손실을 만들어 냄을 보여준다. 즉, 본 발명이 제시하는 필터 작용은 광통신에서 흔히 고려되는 파장영역 전체의 기저 모드에 대해서는 별다른 손실이 없다. 이론적으로 손실은 전이영역의 길이를 늘여 직경의 변화가 좀 더 점진적이 되도록 하면 줄일 수 있고, 이론적으로는 제거될 수 있다.

본 발명에 의하면, 고차 모드가 제거됨으로써 필터를 부착한 단일모드 광섬유 링크는 단일모드 전송에 의해서만 광신호를 전달하기 때문에 다소간의 손실을 얻더라도 단일모드 전송에 의한 이득은 크다.

또한, 본 발명이 제시하는 고차-모드 제거 수단은 널리 보급된 표준 단일모드 광섬유와 단파장 광신호, 예를 들어 850nm의 광신호를 이용하여 광통신을 하는데 있어 그 정보 전송 능력의 비약적 증대를 가져다 줄 것이다. 이것은 단일모드의 전송이 모드 분산을 제거해 주기 때문에 가능하다.

광학적 실험 장치, 특히 광학적 측정 장치에서 단일모드 광섬유는 쓰임새가 많다. 이것은 빔의 품질 저하 없이 원거리에 빛을 보낼 수 있게 한다. 광섬유는 유연하여 기계적 움직임에도 불구하고 그 빛을 전송하는 능력이 떨어지지 않는다. 그리고 기저 모드는 가우시언 모드와 유사하여 이를 렌즈를 통해 처리하기 좋다. 때문에 이러한 이유로 비표준의 단파장 단일모드 광섬유가 제작되어 쓰이고 있다. 본 발명이 제시하는 고차-모드 제거 필터는 구하기 쉬운 표준 단일모드 광섬유를 이용하여 기저 모드로 단파장의 빛을 전송할 수 있게 하므로 제작비용을 현저히 줄일 수 있다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 후술하는 특허청구범위내에서 여러 가지 변형이 가능한 것은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유의 투시도,

도 2a는 본 발명에 따라 광섬유 고차 모드 제거 필터를 적용한 단일모드 광섬유에서의 임펄스 응답 곡선 그래프,

도 2b는 일반적인 단일모드 광섬유에서의 임펄스 응답 곡선 그래프.

Claims (10)

1. 광이 도파되는 코어(core)와 상기 코어보다 굴절률이 낮은 클래딩(cladding)으로 구성된 광학적 도파로(optical waveguide)에 있어서,

   다수의 모드를 통해 광을 입사시키는 입력 광섬유 영역과,

   상기 입력 광섬유 영역으로부터 입사된 광이 상기 코어를 통해 전파되면서 점진적으로 상기 코어의 단면 크기 또는 상기 코어의 굴절률 또는 상기 단면 크기와 굴절률이 함께 줄어드는 제 1 전이영역(transition region)과,

   상기 코어에 기저 모드만을 갖는 단계까지 줄어드는 단일모드 영역(single-mode region)과,

   상기 코어의 단면 크기 또는 상기 코어의 굴절률 또는 상기 단면 크기와 굴절률이 함께 점진적으로 증가하여 다시 원래의 값으로 회복되는 제 2 전이영역과,

   상기 제 2 전이영역을 거쳐 출력되는 광에서 기저모드의 광만을 출력시키는 출력 광섬유 영역

   을 포함하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력 광섬유 영역과 상기 출력 광섬유 영역에서의 각각의 클래딩의 직경은 125μm, 상기 코어의 직경은 5∼15μm이되, 그 차단파장이 900∼1500nm 범위인 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 전이영역-단일모드 영역-제 2 전이영역의 총 길이는 1 내지 50mm이되, 상기 단일모드 영역에서의 차단파장은 600 내지 900nm의 범위인 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 단일모드 광섬유 구조는 입사되는 기저 모드를 제외한 고차 모드들이 상기 단일모드 영역에서 상기 클래딩에 의해 도파되는 클래딩 모드(cladding modes) 또는 도파되지 않는 복사 모드(radiation modes)가 되도록 하는 구조인 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 단일모드 광섬유 구조는 상기 클래딩 또는 상기 클래딩의 외부 영역에서 충분한 산란이나 흡수를 갖도록 함으로써 상기 코어로 재진입 하지 않도록 하여 고차 모드에 의해 도파되는 빛을 제거하되, 상기 기저 모드에 의해 도파되는 광이 상기 출력 광섬유 영역으로 나가게 하여 상기 입력 광섬유 영역에서 상기 출력 광섬유 영역으로 기저 모드의 빛은 통과시키고 고차 모드의 광만을 제거하는 구조인 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 입력 광섬유 영역과 상기 출력 광섬유 영역은 동일한 구조를 지니는 광섬유이고, 상기 고차 모드 제거 필터의 도파로가 상기 입력 및 출력 광섬유 영역과 동일한 구조를 지닌 소자 광섬유를 열적, 기계적 또는 화학적 방법으로 기하학적 구조를 변형하여 가공한 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 광섬유 구조는 상기 전이영역과 상기 단일모드 영역이 소자 광섬유에서 길이방향으로 그 코어와 클래딩의 직경이 점진적으로 최소 직경으로 줄어들었다가 다시 점진적으로 회복되는 코어의 테이퍼한(tapered) 허리 형태 구조인 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
8. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 단일모드 광섬유 구조는 상기 코어의 테이퍼한 허리 형태의 구조 부분에서 클래딩의 외부에 클래딩과 굴절률이 같거나 더 높은 재질로 된 클래딩 외피가 도포되는 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 클래딩 외피의 외부 단면 형상은 비원형이거나 또는 상기 클래딩과 코어가 상기 고차모드 제거 클래딩 외피 내에서 배치된 위치가 중심에서 벗어나도록 편심되어져 있도록 하여 상기 광섬유 구조의 단면이 상기 코어를 중심축으로 한 회전 대칭성이 제거된 형태의 고차모드 제거 클래딩 외피와 클래딩/코어 배치 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 클래딩 외피는 그 내부에서 또는 그 표면에서 상기 입사광을 흡수 또는 산란시키는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 고차 모드 제거 필터링 기능을 갖는 단일모드 광섬유 구조.