KR20050098350A - 단일모드 전송이 가능한 광자결정 광섬유 및 그 모재 - Google Patents

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KR20050098350A
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Abstract

본 발명은 단일모드 전송이 가능하도록 설계된 굴절률 조정 광자결정 광섬유및 이를 제조하기 위한 광자결정 광섬유용 모재에 관한 것이다.
본 발명의 광자결정 광섬유는 전송하고자 하는 입사광의 전기장 세기 분포와 동일한 굴절률 분포를 가짐으로써 실제 코어보다 벗어난 영역까지 입사광이 지나감으로 인한 손실 및 굴절률이 다른 부분을 지나가는데 따른 펄스퍼짐을 최소화 한다. 또한, 본 발명에 따른 광자결정 광섬유를 제조하기 위한 광자결정 광섬유용 모재는 광자격자 구조로 배치된 길이방향의 다수의 홀을 구비한 봉(rod) 형태의 몸체(substrate)와; 상기 다수의 홀 내에 배치되며, 그 굴절률 분포가 입사광의 전기장 세기 분포(electric field power distribution)와 일치하도록 배열된 서로 다른 굴절률을 갖는 다수의 굴절률 조정 물질층들을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

단일모드 전송이 가능한 광자결정 광섬유 및 그 모재{PHOTONIC CRYSTAL FIBER FOR SINGLE MODE TRANSMISSION AND PREFORM THEREOF}
본 발명은 광자결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber; PCF)에 관한 것으로, 특히 단일모드 전송이 가능하도록 설계된 굴절률 조정 광자결정 광섬유 및 이를 제조하기 위한 광자결정 광섬유용 모재에 관한 것이다.
일반적으로 광 신호 전송을 위해 사용되는 광섬유는 크게 단일모드 광섬유와 다중모드 광섬유로 나누어진다. 단일모드 광섬유는 하나의 모드만을 사용하므로 다중모드를 사용하여 전송할 경우 초래되는 모드간의 중첩에 의한 신호퍼짐(mode-coupling dispersion)을 방지할 수 있기 때문에 주로 장거리 신호전송에 사용되고 있다.
한편, 광자결정 광섬유(PCF)는 광섬유의 특별한 한 형태이다. 일반 단일모드 광섬유는 유리에 저마늄(Germanium) 또는 인(Phosphorus)을 첨가하여 코어로 사용하며, 코어와 클래딩의 굴절률 차이에 의해 광 신호를 전송한다. 반면, 광자결정 광섬유는 도 1에 도시된 바와 같이 융합된 석영 유리(1)와 같은 단일 고체상의 실질적으로 투명한 소재로 만들어지며, 그 내부에 섬유의 전체 길이를 따라 섬유 축에 평행하게 연장되어 뻗어 있는 주기적 배열의 공기구멍(2)이 삽입되어 있다. 규칙적인 배열 형태 내에 있어서 공기층과 석영 유리층의 유전상수 차이를 이용하여 광자 전이층을 만들고, 이러한 광자 전이층은 반도체에서의 전자 전이층(electronic band-gap)처럼 특정한 방향으로의 빛의 진행을 막는 역할을 한다. 즉, 광자 전이층의 조건을 만족하는 빛만 광자 전이층을 통과할 수 있다.
이러한, 광자결정 광섬유는 기술적으로 많은 중요한 특성을 가지고 있다. 예컨대, 광범위한 파장 범위에 걸쳐 단일모드를 지원할 수 있으며, 큰 모드 영역을 가질 수 있으므로 높은 광 파워(Optical Power)를 전송할 수 있고, 1.55㎛의 원격통신 파장에서 큰 상분산을 나타낼 수가 있다. 또한, 비선형성의 증가/감소 및 편광조절 소자 등으로 부각되고 있다. 따라서 이와 같이 많은 기능성을 가지고 있는 광자결정 광섬유에 대한 특성이 속속 보고되면서 가까운 미래에 광자결정 광섬유가 광통신 및 광산업에 광범위하게 적용될 것으로 기대된다.
이러한 광자결정 광섬유(PCF) 제조시 원형을 유지하면서 충분히 긴 길이로 인출하기 위해서는 광자결정 광섬유(PCF)용 모재를 원행으로 제작해야 하는데, 일반적으로 광자결정 광섬유(PCF)용 모재는 도 2 또는 도 3에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는다.
먼저, 도 2의 (a)에 도시된 광자결정 광섬유(PCF)용 모재는 원형의 석영 유리 봉(10)에 다수개의 원형 구멍을 광자격자 구조로 뚫어 공기층(11)을 형성한 구조이며, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 굴절률 분포를 갖는다.
도 3의 (a)에 도시된 광자결정 광섬유(PCF)용 모재는 원형의 석영 유리 튜브(20)에 이보다 작은 직경의 다수개의 석영 유리 튜브(21)가 광자격자 구조로 배치된 구조이며, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같은 굴절률 분포를 갖는다. 이때, 석영 유리 튜브(21)의 배열에 의해 형성되는 격자구조에 따라 다양한 광 전송 특성을 나타낸다.
그러나, 상기 종래 기술에 의한 광자결정 광섬유(PCF)용 모재의 경우 공기(air)와 순수 석영을 이용한 격자구조를 통하여 전송특성을 구현하는 것이기 때문에 설계에 제약이 따르며, 공기구멍(air-hole)이 모재 내에 있으므로 인출 시 공기구멍이 왜곡되어 원래 의도한 설계와 달라질 수 있다.
또한 코어를 구성하는 물성에 제한을 두기 때문에 광섬유 제조공법상 세밀한 광섬유 설계가 어려워 광섬유의 코어 비대칭에 의한 편광모드분산(polarization mode dispersion; PMD)이 나타나게 된다.
특히 단일모드 광섬유의 경우 실제 코어보다 벗어난 영역까지 입사광이 지나가므로 이로 인한 손실 및 굴절률이 다른 부분을 지나가는데 따른 펄스퍼짐이 일어나는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 넓은 파장영역에 걸쳐 단일모드를 제공하고, 단일모드 신호를 장거리 전송할 수 있도록 설계된 단일모드 전송이 가능한 광자결정 광섬유 및 그 모재를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 모재의 제조 및 광섬유 디자인 구현이 용이한 단일모드 전송이 가능한 광자결정 광섬유 및 그 모재를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다수의 길이방향의 홀을 구비하는 광자결정 광섬유에 있어서, 상기 광섬유의 굴절률 분포는 상기 광섬유를 통해 전송하고자 하는 입사광의 전기장 세기 분포(electric field power distribution)와 동일함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광자결정 광섬유의 굴절률 분포는 상기 광섬유의 중심점에서의 굴절률이 가장 높으며 가장자리로 갈수록 점차 낮아져 가우시안 분포(gaussian distribution)를 가짐을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재는 입사광의 전기장 세기 분포와 동일한 굴절률 분포를 갖는 광자결정 광섬유를 제조하기 위한 광자결정 광섬유용 모재에 있어서, 광자격자 구조로 배치된 길이방향의 다수의 홀을 구비한 봉(rod) 형태의 몸체(substrate)와; 상기 다수의 홀 내에 배치되며, 그 굴절률 분포가 입사광의 전기장 세기 분포(electric field power distribution)와 일치하도록 배열된 서로 다른 굴절률을 갖는 다수의 굴절률 조정 물질층들을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 굴절률 조정 물질층들은 각각 봉 또는 튜브 형태로써 상기 홀 내에 삽입됨을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 굴절률 조정 물질층들의 굴절률은 상기 광섬유 모재의 중심으로부터 바깥쪽으로 점차적으로 낮아지며, 가우시안 분포(gaussian distribution)를 가짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 구현 원리를 설명하기 위한 도면으로, 도 4의 (a)는 본 발명에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 단면을, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)에 도시된 광섬유용 모재의 A-A' 방향에 따른 굴절률 분포 및 입사광의 전기장 세기 분포를 나타낸 도면이다.
광섬유에서 입사광이 지나가는 경로는 코어의 직경범위가 아니라 모드필드직경(mode field diameter)으로 정의된 영역을 지나간다. 모드필드는 입사광의 전기장 세기(electric field power)가 최고치에서 0.37*1/e 만큼 감소하는 지점까지로 정의되며 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 갖는다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 광섬유용 모재의 몸체(101)에 각각 배치되는 굴절률 조절물질(102)의 굴절률 분포를 입사광의 전기장 세기 분포(103)와 일치시킬 경우, 실제 코어보다 벗어난 영역까지 입사광이 지나감으로 인한 광의 손실 및 굴절률이 다른 부분을 지나가는데 따른 펄스퍼짐을 최소화할 수 있다.
이에 대한 실시예는 다음과 같다.
실시예 1
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재(200)의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 광자결정 광섬유용 모재(200)는 광자격자 구조로 배치된 길이방향의 다수의 홀(220)을 구비한 봉(rod) 형태의 몸체(substrate, 210)와; 상기 다수의 홀(220) 내에 배치되며, 그 굴절률 분포가 입사광의 전기장 세기 분포(electric field power distribution)와 일치하도록 배열된 서로 다른 굴절률을 갖는 다수의 굴절률 조정 물질층(221, 222, 223)을 포함하여 구성된다.
상기 광자격자 구조로 배치된 다수의 홀(220)은 일정 간격 이격 배치되어 전체적으로 육각 구조의 패턴을 형성하며, 서로 다른 굴절률을 갖는 물질층들(221, 222, 223)로 채워진다. 광자결정 광섬유용 모재(200)의 굴절률 분포는 굴절률 조정 물질층들(221, 222, 223)의 굴절률에 의해 결정된다. 따라서 광자결정 광섬유용 모재(200)의 굴절률 분포가 입사광의 전기장 세기 분포와 일치하도록 굴절률 조절 물질층들(221, 222, 223)을 선택하여 홀(220)에 배치한다. 이때, 중심점에 굴절률이 가장 높은 물질층(221)이 위치하며 가장자리로 갈수록 점차 굴절률이 낮은 물질이 배치된다.
도 6은 도 5의 점선 부분을 상세히 나타낸 도면으로써, 봉 형태의 몸체(210)는 굴절률이 1인 물질로 구성되며, 다수의 홀은 각각 굴절률이 5인 물질로 된 물질층 예컨대 튜브(221), 굴절률이 3인 물질로 된 튜브(222), 굴절률이 2인 물질로 된 튜브(223)로 채워진다. 상기 몸체(210)는 순수 석영(pure-silica)을 포함하는 물질 또는 석영(silica)에 일정한 굴절률을 가진 도펀트(dopant)가 첨가된 물질로 구성할 수 있으며, 상기 굴절률 조정 물질층들(221, 222, 223)은 순수 석영의 굴절률 대비 상대 굴절률을 갖는 물질로 구현할 수 있다.
도 7은 도 6의 B-B' 방향에 따른 입사광의 전기장 세기 분포를 0에서 1까지 상대적으로 나타낸 도면이다. 상기 다수의 홀에 배치되는 굴절률 조정 물질층을 굴절률이 광섬유 모재의 중심으로부터 바깥쪽으로 점차적으로 낮아지도록 배열함으로써 광섬유 모재의 굴절률 또한 광섬유 모재의 중심으로부터 바깥쪽으로 점차적으로 낮아짐을 알 수 있다.
실시예 2
도 8은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 광자결정 광섬유용 모재(300)는 광자격자 구조로 배치된 길이방향의 다수의 홀(320)을 구비하는 봉 형태의 몸체(310)와, 상기 홀에 삽입 가능하도록 형성된 서로 다른 굴절률을 갖는 다수의 굴절률 조정 튜브(321, 322, 323)로 구성된다. 마찬가지로 광자결정 광섬유용 모재(300)의 굴절률 분포는 몸체(310)에 삽입되는 굴절률 조정 튜브(321, 322, 323)들의 굴절률에 의해 결정된다. 따라서 입사광의 전기장 세기 분포와 일치하도록 서로 다른 굴절률을 갖는 굴절률 조정 튜브(321, 322, 323)들을 배열한다. 이때, 중심점에 굴절률이 가장 높은 봉(321)이 위치하며 가장자리로 갈수록 점차 굴절률이 낮은 튜브가 배치된다.
실시예 3
도 9는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 광자결정 광섬유용 모재(400)는 두 개의 서로 다른 굴절률을 갖는 몸체(substrate) 예를 들면, 순수 석영 봉과 소정의 상대 굴절률을 갖는 원통형의 외주 몸체(410)와 상기 외주 몸체(410) 내에 형성된 순수 석영 봉으로 된 내주 몸체(420)로 구성된다. 외주 몸체(410)와 내주 몸체(420)는 각각 광자격자 형태로 배치된 길이방향의 다수의 홀을 구비하며, 상기 다수의 홀은 서로 다른 굴절률을 갖는 튜브들(411, 421, 422)이 삽입되거나, 서로 다른 굴절률을 갖는 물질로 채워져 있다. 마찬가지로 광자결정 광섬유용 모재(400)의 굴절률 분포는 외주 몸체(410)와 내주 몸체(420)에 형성된 봉(411, 421, 422)들의 굴절률 및 외주 몸체(410) 구성물질의 굴절률에 따라 결정되며, 입사광의 전기장 세기 분포와 일치하도록 배열한다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 제1 내지 제 3 실시예의 광자결정 광섬유용 모재로부터 제조되는 광자결정 광섬유 또한 모재와 동일한 구조 및 굴절률 분포를 갖는다. 용융, 인출 등의 과정을 통해 광섬유 모재로부터 광섬유를 제조하는 것은 이 기술에 있어서 통상적인 방법이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 광자격자 구조 광섬유의 굴절률 분포가 입사광의 전기장 세기 분포와 일치하도록 함으로써 실제 코어보다 벗어난 영역까지 입사광이 지나감으로 인한 광의 손실 및 굴절률이 다른 부분을 지나가는데 따른 펄스퍼짐을 최소화할 수 있다. 따라서 광 손실 및 광 비선형성이 매우 낮으며 특히, 단일모드 신호를 장거리 전송할 수 있는 광자결정 광섬유의 제작이 가능하다.
또한, 굴절률 조정 물질층들의 배열에 의해 광자격자 광섬유용 모재의 굴절률 분포를 조정함으로써 모재로부터 제조되는 광섬유의 디자인 구현이 용이하다.
도 1은 일반적인 광자결정 광섬유의 단면을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 종래의 일 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 단면 및 굴절률 분포를 나타낸 도면,
도 3은 종래의 다른 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 단면 및 굴절률 분포를 나타낸 도면,
도 4의 (a)는 본 발명에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 단면을 나타낸 도면,
도 4의 (b)는 도 4의 (a)에 도시된 광섬유용 모재의 A-A' 방향에 따른 굴절률 분포 및 입사광의 전기장 세기 분포를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 구조를 나타낸 단면도,
도 6은 도 5의 점선 부분을 상세히 나타낸 도면,
도 7은 도 6의 B-B' 방향에 따른 입사광의 전기장 세기 분포를 0에서 1까지 상대적으로 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 구조를 나타낸 단면도,
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광자결정 광섬유용 모재의 구조를 나타낸 단면도.

Claims (16)

  1. 다수의 길이방향의 홀을 구비하는 광자결정 광섬유에 있어서,
    상기 광섬유의 굴절률 분포는 상기 광섬유를 통해 전송하고자 하는 입사광의 전기장 세기 분포(electric field power distribution)와 동일함을 특징으로 하는 단일모드 전송이 가능한 광자결정 광섬유.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광자결정 광섬유의 굴절률 분포는
    상기 광섬유의 중심점에서의 굴절률이 가장 높으며 가장자리로 갈수록 점차 낮아져 가우시안 분포(gaussian distribution)를 가짐을 특징으로 하는 단일모드 전송이 가능한 광자결정 광섬유.
  3. 입사광의 전기장 세기 분포와 동일한 굴절률 분포를 갖는 광자결정 광섬유를 제조하기 위한 광자결정 광섬유용 모재에 있어서,
    광자격자 구조로 배치된 길이방향의 다수의 홀을 구비한 봉(rod) 형태의 몸체(substrate)와;
    상기 다수의 홀 내에 배치되며, 그 굴절률 분포가 입사광의 전기장 세기 분포(electric field power distribution)와 일치하도록 배열된 서로 다른 굴절률을 갖는 다수의 굴절률 조정 물질층들을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 굴절률 조정 물질층들은
    각각 봉 또는 튜브 형태로써 상기 홀 내에 삽입됨을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 굴절률 조정 물질층들의 굴절률은
    상기 광섬유 모재의 중심으로부터 바깥쪽으로 점차적으로 낮아짐을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 굴절률 조정 물질층들의 굴절률은
    가우시안 분포(gaussian distribution)를 가짐을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 몸체(substrate)는
    순수 석영(pure-silica)을 포함하는 물질로 구성됨을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 몸체(substrate)는
    석영(silica)에 일정한 굴절률을 가진 도펀트(dopant)가 첨가된 물질로 구성됨을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 굴절률 조정 물질층들은
    상기 순수 석영의 굴절률 대비 상대 굴절률을 가짐을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  10. 광자결정 광섬유용 모재에 있어서,
    원통형의 몸체(substrate)와;
    상기 원통형의 몸체 내에 광자격자 구조로 배치되고, 그 굴절률 분포가 입사광의 전기장 세기 분포(electric field power distribution)와 일치하도록 배열된 서로 다른 굴절률을 갖는 다수의 굴절률 조정 물질층들을 포함하며,
    상기 굴절률 조정 물질층들의 배열에 의해 상기 광자결정 광섬유용 모재의 굴절률 분포를 조절할 수 있음을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 굴절률 조정 물질층들은
    각각 상기 몸체의 반경보다 작은 반경의 튜브 또는 봉 형태임을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 굴절률 조정 물질층들의 굴절률은
    상기 광섬유 모재의 중심으로부터 바깥쪽으로 점차적으로 낮아짐을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 굴절률 조정 물질층들의 굴절률은
    가우시안 분포(gaussian distribution)를 가짐을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  14. 광자결정 광섬유용 모재에 있어서,
    다수의 제1 홀을 구비하는 원통형의 외주 몸체(substrate)와;
    상기 외주 몸체 내에 삽입되고, 상기 다수의 제1 홀과 광자격자 구조로 배치된 다수의 제2 홀을 구비한 봉(rod) 형태의 내주 몸체(substrate)와;
    상기 다수의 제1 홀 및 다수의 제2 홀 내에 배치되고, 그 굴절률 분포가 입사광의 전기장 세기 분포(electric field power distribution)와 일치하도록 배열된 서로 다른 굴절률을 갖는 다수의 굴절률 조정 물질층들을 포함하며,
    상기 굴절률 조정 물질층들의 배열에 의해 상기 광자결정 광섬유용 모재의 굴절률 분포를 조절할 수 있음을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 물질층들은
    각각 봉 형태를 가짐을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 물질층들은
    각각 튜브 형태로써 상기 홀 내에 삽입됨을 특징으로 하는 광자결정 광섬유용 모재.
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