KR20060087564A - 다중모드 접속용 광섬유로 이루어진 섬유 렌즈 - Google Patents

다중모드 접속용 광섬유로 이루어진 섬유 렌즈 Download PDF

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KR20060087564A
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벤카타 에이. 바가바투라
존 힘멜레흐
피리스 제이 마코바스키
미첼 에이취. 라스무센
라가라챠 사신드하
루이스 에이. 젠테노
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

섬유 렌즈는 다중모드 광섬유와 상기 다중모드 광섬유의 끝단에 위치하는 굴절 렌즈를 포함하고 있다. 상기 굴절 렌즈는 상기 다중모드 광섬유에서 출사되는 빔을 회절 한계 스팟으로 집속한다. 일실시예에서, 경사형 렌즈는 다중모드 광섬유와 굴절 렌즈의 사이에 위치한다. 일실시예에서, 경사형 렌즈와 굴절 렌즈의 결합은 극도의 왜곡 렌즈 특성을 가능하게 한다.
섬유 렌즈, 접속용 광섬유, 다중모드 광섬유, 경사형 렌즈

Description

다중모드 접속용 광섬유로 이루어진 섬유 렌즈{Fiber lens with multimode pigtail}
본 발명은 광소자들 사이의 광신호를 결합시키기 위한 광 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광소자들 사이에 신호를 결합하기 위한 섬유 렌즈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광통신분야에서 광소자들 사이의 신호를 결합시키기 위한 여러가지 방법들이 사용되고 있는데, 일예로 광섬유, 레이저 다이오드, 그리고 반도체 광증폭기 등이 있다. 한가지 방법은 섬유 렌즈를 사용하는 것과 관련되어 있으며, 여기에서 섬유 렌즈란 접속용 광섬유의 일측 끝단에 위치하고 있는 렌즈를 가지고 있는 단결정 소자를 말한다. 섬유 렌즈에는 렌즈 또는 접속용 광섬유의 둘다를 통하여 광이 입사하되거나 출사될 수 있다. 섬유 렌즈는 바람직하게 서로 다른 모드장을 가지고 있는 광소자들 사이의 신호를 효과적으로 결합하기 위해서 예를 들어 하나의 크기에서 다른 크기로 및/또는 하나의 형태에서 다른 형태로 모드장을 전환할 수 있는 성능이 요구된다. 섬유 렌즈는 원형 모드장에서 타원형 모드장으로 전환시킬 수 있어 야 하며 또는 왜곡이라 부르는 반대 전환을 수행할 수 있어야 한다. 섬유 렌즈의 다른 바람직한 특성은 접속용 광섬유에서 출사되는 광을 선택된 작업 거리에서 요구되는 크기와 강도를 가지는 스팟으로 집속하는 성능이다. 예를 들면 그러한 응용으로 넓은 스트립 다중모드 레이저 다이오드에서 광섬유로 광신호를 전달하거나 고굴절률 반도체 또는 유전체 도파관에서 광섬유로 광신호를 전달하는 것 등이 있다.
섬유 렌즈는 작업 거리의 넓은 범위에 대해 작은 스폿 크기와 요구되는 강도를 가지고 있는 집속된 빔을 생성할 것이 요구된다.
한가지 관점에서, 본 발명은 다중모드 섬유와 상기 다중모드 섬유의 일 끝단에 위치하여 상기 다중모드 섬유로부터 출사되는 빔을 회절 한계 스팟으로 집속하기 위한 굴절 렌즈를 포함하고 있는 섬유 렌즈에 관한 것이다.
다른 관점에서, 본 발명은 다중모드 섬유와 상기 다중모드 섬유의 일끝단에 위치하는 경사형 렌즈, 및 상기 경사형 렌즈의 일끝단에 위치하고 있고 상기 다중모드 섬유로부터 이격되어 있으며 상기 다중모드 섬유로부터 출사되는 빔을 회절 한계 스팟으로 집속하기 위한 굴절 렌즈를 포함하고 있는 섬유 렌즈에 관한 것이다.
다른 관점에서, 다중모드 섬유, 상기 다중모드 섬유의 일끝단에 위치하는 적어도 하나의 스페이서 로드(spacer rod) 및 경사형 렌즈, 및 상기 경사형 렌즈의 일끝단에 위치하고 있고 상기 다중모드 광섬유로부터 이격되어 있으며 상기 다중모드 섬유로부터 출사된 빔을 회절 한계 스팟으로 집속하기 위한 굴절 렌즈를 포함하고 있는 섬유 렌즈에 관한 것이다.
또 다른 관점에서, 제1 섬유를 원하는 길이로 절단하는 단계와, 상기 제1 섬유의 끝을 쐐기 형상으로 형성하는 단계와, 여기에서 상기 쐐기 형상은 상기 제1 섬유의 제1 면에서 쌍곡선의 점근선에 의해 정의된 횡단면 형상을 갖으며, 상기 쐐기 형상을 쌍곡선 형상을 형성하기 위해 볼록하게 하는 단계를 포함하여 이루어진 섬유 렌즈의 제조방법에 관한 것이다. 일실시예에서, 상기 쌍곡선 형상의 곡률 반경은 빔 곡률을 보상하기 위한 교정 인자를 가지고 있는 준쌍곡선 형상을 형성하기 위해 조정된다.
본 발명의 이와 같은 그리고 다른 특징과 이점들은 이후의 본 발명의 상세한 설명에서 그리고 도면에서 좀더 상세하게 논의된다.
본 발명은 예를 들어 그리고 제한하지 않은 방법으로 도면을 사용하여 설명하며, 도면들에서 동일한 요소에 대하여 동일한 참조번호를 사용한다.
도 1A는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 렌즈의 개략도이다.
도 1B 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유 렌즈의 개략도이다.
도 1C는 본 발명의 일실시예에 따른 GRIN 렌즈의 횡단도이다.
도 1D는 본 발명의 다른 실시예에 따른 GRIN 렌즈의 횡단면도이다.
도 1E는 쌍곡선 렌즈의 기하학적 표시도이다.
도 1F는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 렌즈의 측면도이다.
도 1G는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1F의 섬유 렌즈의 평면도이다.
도 1H는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1F의 섬유 렌즈의 평면도이다.
도 1I는 넓은 스트립 레이저 다이오드로부터 출사되는 빔을 결합하기 위한 섬유 렌즈의 일 응용례이다.
도 2A는 평면빔 파면 및 발산빔 파면의 기하학적 표시도이다.
도 2B는 쌍곡선 형상에서 준쌍곡선 형상을 형성하기 위하여 변화에 대한 개략도이다.
도 3A-3D는 본 발명의 일실시예에 따른 다중모드 접속용 광섬유에 대한 코어 및 클래드의 여러가지 형상을 보여주는 도면이다.
도 4A는 도 3C에 도시된 횡단면을 갖는 접속용 광섬유 다발을 보여주는 도면이다.
도 4B는 원형 횡단면을 갖는 접속용 광섬유의 다발을 보여주는 도면이다.
도 5A-5C는 본 발명의 일실시예에 따른 접속용 광섬유를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6A-6F는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 렌즈를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 여러개의 바람직한 실시예와 관 련하여 상세하게 설명된다. 다음의 설명에서 많은 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위하여 제시된다. 그러나, 당업자에게 있어 약간 또는 모든 상세한 설명이 없어도 본 발명을 실시할 수 있다. 그 대신에 잘 알려져 있는 과정 단계 및/또는 특징은 본 발명을 불명료하게 하는 것을 피하기 위하여 상세하게 설명하지 않는다. 본 발명의 특징과 이점은 이어지는 도면과 이어지는 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
본 발명과 관련하여, 섬유 렌즈는 둘다 형상이 쌍곡선 또는 준쌍곡선인 다중모드 접속용 광섬유 및 굴절 렌즈를 포함한다. 쌍곡선 렌즈는 시준빔, 즉 평면 파면을 가지고 있는 빔을 회절 한계 스폿으로 집속하며, 준쌍곡선 렌즈는 비시준빔을 회절한계 스팟으로 집속한다. 준쌍곡선 렌즈는 쌍곡선 렌즈와 구면 렌즈의 기능이 결합되어 있으며, 구면 렌즈 기능은 빔 곡률에 의한 왜곡을 보상하기 위해서 사용된다.
도 1A에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 섬유 렌즈(100)은 다중모드 접속용 광섬유(104)의 끝단에 위치한 굴절 렌즈(102)를 포함한다. 도 1B에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 섬유 렌즈(100)은 또한 굴절 렌즈(102)와 다중모드 접속용 광섬유(104) 사이에 위치하는 경사형(GRaded-INdex; GRIN) 렌즈(106)를 포함한다. 섬유 렌즈(100)를 형성하는 구성요소들은 단일 장치에 융합되는 것이 바람직하다. 굴절 렌즈(102)의 형상과 GRIN 렌즈(106) 및/또는 접속용 광섬유(104)의 다중 모드 파라미터를 주의 깊이 제어한다면, 섬유 렌즈(100)는 넓은 영역 레이저 다이오드와 같은 광원의 출력에 대응되는 집속된 스팟 을 생성할 수 있으며 그 결과 효과적인 광 결합을 가능하게 한다.
GRIN 렌즈(106)는 주위에 클래드(110)가 접해 있거나 없는 코어(108)를 가지고 있는 GRIN 다중모드 광섬유로부터 제조된다. 비록 도면에 도시되어 있지 않지만 GRIN 렌즈(106)는 테이퍼형이다. GRIN 렌즈(106)의 코어(108)는 광축으로부터 클래드(110)로 방사형으로 멀어짐에 따라 점점 감소하는 굴절율 프로파일을 가지고 있다. 예를 들면, GRIN 렌즈(106)의 굴절율 프로파일은 포물선 또는 제곱 법칙을 따를 수 있다. GRIN 렌즈(106)은 공기 렌즈 인터페이스보다 오히려 렌즈 매체가 광경로를 굽게하거나 열화시키기 때문에 평면 끝면들(107, 109)을 가진다. 끝단들(107 또는 109)중 어디하나에서 바라볼 때, GRIN 렌즈(106)는 원형 횡단면 형상을 가지거나 목적하는 응용에 적합한 다른 횡단면 형상을 가진다. 일실시예에서 GRIN 렌즈(106)는 종횡비가 1부터 10의 범위를 가지는 횡단면을 가지고 있다. 도 1C에는 굴절률 프로파일의 변화에 따라 x축 및 y축 각각에 대하여 도시된 곡선함수와 같은 GRIN 반지름을 가지는 원형 횡단면 형상의 GRIN 렌즈(106)가 도시되어 있다. 도 1D에는 굴절률 프로파일의 변화에 따라 x축 및 y축 각각에 대하여 도시된 곡선함수와 같은 GRIN 반지름을 가지는 타원형 횡단면 형상의 GRIN 렌즈(106)가 도시되어 있다.
도 1B를 다시 참조하면, GRIN 렌즈(106)의 길이가 쿼터 피치이면, GRIN 렌즈(106)의 끝면(107)의 빔은 평면 파면을 가진다. 반면에, GRIN 렌즈(106)의 길이가 쿼터 피치보다 짧거나 길면 GRIN 렌즈(106)의 끝단(107)의 빔은 각각 발산하거나 수렴한다. 쿼터 피치 Q에 대한 식은 다음과 같이 주어진다.
(수학식 1a)
Figure 112006018223736-PCT00001
여기에서,
(수학식 1b)
Figure 112006018223736-PCT00002
여기에서, L은 피치, n1 은 GRIN 렌즈의 코어에 대한 굴절율이고, n2는 GRIN 렌즈의 클래드에 대한 굴절율을 나타내며, Δ는 GRIN 렌즈의 코어와 클래드에 대한 상대 굴절율 차이를 나타낸다.
GRIN 렌즈(106)은 요구되는 크기와 굴절율 차이 그리고 프로파일을 가지고 있는 GRIN 블랭크(미도시)에서 인출된다. GRIN 렌즈의 코어 직경의 범위는 약 50에서 500um 범위를 가지며 약 60에서 1,000um의 외경을 갖고 있다. 상대 굴절율 차이값은 광통신 시스템에 사용되는 광섬유 스플라이싱에 적합한 고 실리카 합성물에서 약 0.5% 내지 3%의 바람직한 범위를 갖는다. 본 발명에 따르면, GRIN 렌즈(106)의 길이는 쿼터 피치에 맞게 또는 근접하게 설계되며 필요한 경우에는 쿼터 피치와 다르게 설계될 수 있다. 본 발명에 따르면, 동일한 굴절율 프로파일을 가지고 있는 다중 GRIN 렌즈는 같은 블랭크에서 인출된다. 블랭크의 굴절율 프로파일이 변화될 필요가 없기 때문에 블랭크 제조 공정과 GRIN 렌즈 제조 공정은 단순하다. 따라서, 동일한 블랭크가 다른 모드 전환의 응용에 사용될 수 있다. 블랭크는 다른 응용에 대하여 다른 외경을 갖도록 재인출되며, 산출된 GRIN 렌즈는 다른 응용의 요구에 적합하게 다른 길이로 절단되거나 쪼개진다. 이러한 접근은 제조 단가를 줄이게 된다.
도 1A 및 1B에 도시된 바와 같이, 굴절 렌즈(102)는 클래드(118)에 의해 둘러싸여 있거나 있지 않은 코어(116)를 가지고 있는 광섬유로부터 제조된다. 이상적으로, 굴절 렌즈 코어(116)는 균일한 굴절율을 가지고 있으나, GRIN 렌즈(106)(도 1B에 도시된 바와 같이)의 끝단 또는 다중 모드 접속용 광섬유(104)(도 1A에 도시된 바와 같이)에서 직접적으로 굴절 렌즈(102)를 형성하는 것이 편리하며 이 경우에는 굴절 렌즈 코어(116)은 균일하지 않은 굴절율을 가진다. 굴절 렌즈(102)는 본질적으로 평면 끝면(101)과 커브 표면(103)을 가지고 있다. 일실시예에서, 적어도 광섬유 렌즈의 한면에 있어서 커브면(103)은 포물 형상을 하고 있으며, 다음 수학식으로 표현된다.
(수학식 2a)
Figure 112006018223736-PCT00003
도 1E는 상기 수학식을 그래프로 나타낸 것이다. 쌍곡선 굴절 렌즈(102)는 u-v직교 좌표에서 쌍곡선 분기이며, 쌍곡선 분기의 정점은 u-축에서 (a, 0)에 놓여 있다. 쌍곡선 분기의 초점은 (c, 0)이며, c는 다음 수학식으로 주어진다.
(수학식 2b)
Figure 112006018223736-PCT00004
상기 쌍곡선 분기는 두개의 점근선을 가지며 다음과 같이 표현된다.
(수학식 2c)
Figure 112006018223736-PCT00005
상기 점근선의 기울기는 +b/a 및 -b/a이다. 상기 점근선은 원점(0,0)에서 교차하며 정점각 α를 가지는 쐐기 모양을 형성하며, 정점각은 다음과 같이 주어진다.
(수학식 2d)
Figure 112006018223736-PCT00006
에드워드 등(Edwards et al.)Z에 따르면 이상적인 포물선 모양은 입사되는 구면파를 평면파로 전환시키며 방적식 2a 내지 2d에서 a와 b는 다음과 같이 표현된다.
(수학식 3a)
Figure 112006018223736-PCT00007
및
(수학식 3b)
Figure 112006018223736-PCT00008
여기에서 n1은 쌍곡선 렌즈의 코어에 대한 굴절율이고, n2는 쌍곡선 렌즈의 코어를 둘러싸고 있는 매체의 굴절율이고, r2는 쌍곡선 렌즈의 끝의 곡률 반경이다(에드워드, 크리스토프 에이., 프레스비, 허맨 엠. 및 드래곤, 코래도.의 광파 기술지의 "광섬유 결합의 레이저에 대한 이상 마이크로 렌즈" Vol 11, No. 2, (1993):252면). 쌍곡선의 프로파일에서, 도 1E에 도시된 바와 같이 평면(1) 및 (2)에서 모드장 반경들은 동일하고, 평면(2)에서 곡률 반경은 무한하며 평면(2)에서 빔 파면은 평면이다.
도 1B를 다시 참조하면, 위에서 언급된 이상적인 쌍곡선에 대하여 GRIN 렌즈(106)의 길이가 쿼터 피치이면, 쌍곡 굴절 렌즈(102)는 다중모드 접속용 광섬유(104)에서 출사된 빔을 회절 한계 스팟으로 집속한다. GRIN 렌즈(106)의 길이가 쿼터 피치가 아닌 경우에 쌍곡선 굴절 렌즈(102)는 하나의 스팟에 모든 광선을 동일하게 만들수 없기 때문에 빔을 회절한계 스팟으로 집속할 수 없다. 다른 실시예에서, GRIN 렌즈(106)의 길이가 쿼터 피치가 아닌 경우에, 준쌍곡선 굴절 렌즈는 회 절 한계 스팟을 형성하기 위하여 사용된다. 준쌍곡선 굴절 렌즈에 대하여, 굴절 렌즈(102)의 커브면(103)은 쌍곡선 프로파일 대신에 준쌍곡선 프로파일을 가지고 있다. 준쌍곡선 렌즈는 잔류 빔 곡률을 감소시키기 위하여 쌍곡선 렌즈와 구면 렌즈의 기능을 가지고 있다.
준쌍곡선 렌즈의 프로파일은 쌍곡선 프로파일에 대하여 빔 곡률을 보상하기 위해서 필요한 광 또는 물리적인 경로 길이의 변화를 계산하여 아주 정확하게 결정될 수 있다. 도 2A에 도시된 바와 같이 평면 빔 파면(200)은 GRIN 렌즈길이가 쿼터 피치 또는 그에 근접하게 되면 생성되고, 발산 빔 파면(202)는 GRIN 렌즈 길이가 쿼터 피치보다 작으면 생성된다. 평면 빔 파면(200)의 광 경로와 비교하여 발산 빔 파면(202)의 광경로 길이는 광축(2040로부터 멀어짐에 따라 감소된다. 광경로 길이 차 Lopt(r)은 광축(204)로부터의 방사 거리의 함수로 주어지며 다음 수학식에 의해 계산될 수 있다.
(수학식 4a)
Figure 112006018223736-PCT00009
여기에서,
(수학식 4b)
Figure 112006018223736-PCT00010
물리적 경로 길이차 Lp(r)은 다음 수학식으로 주어진다.
(수학식 4c)
Figure 112006018223736-PCT00011
여기에서 n 렌즈 물질의 굴절율이다.
쿼터 피치보다 긴 GRIN 렌즈 길이에 대한 광 경로 길이차, 즉 수렴빔 파면은 위에서 보여준 수학식들에 유사한 수학식들을 사용하여 계산될 수 있다. 도 2B는 발산 빔의 파면을 회절 한계 스팟으로 집속할 수 있는 준쌍곡선 형상(208)으로 쌍곡선 형상(206)을 만들 수 있는 변화를 개략적으로 보여준다. 방정식 4a 내지 4c는 준쌍곡선 형상을 결정하기 위한 가능한 한 가지 방법을 제공한다. 더 정확한 준쌍곡선 렌즈 형상은 렌즈 설계 모델을 통하여 결정된다.
굴절 렌즈(102)의 형상은 두개의 커브 일예로 도 1F의 C1과 도 1G의 C2에 의해 결정될 수 있다. 커브 C1은 y 평면에 형성되어 있고 반면에 커브 C2는 x 평면에 형성되어 있다. 바람직하게, 커브 C1 및 C2는 서로 직교하며 섬유 렌즈(100)의 광축에서 또는 근처에서 교차한다. 커브 C1 및 C2는 동일한 쌍곡선 형상 또는 준쌍곡선 형상을 가지고 있으며 곡률 반경이 동일하고 동시에 쌍곡면 또는 준쌍곡면을 형성한다. 그러나, 본 발명은 동일한 형상과 곡률 반지름을 가지고 있는 커브 C1과 C2에 의해 형성된 굴절 렌즈(102)에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, 커브 C1 및 C2중 적어도 하나는 쌍곡면 또는 준쌍곡면 형상을 가질 수 있는데 반해 다른 커브는 쌍곡면 또는 준쌍곡면 또는 원형 또는 평평한 형상 등의 다른 형상을 가질수 있다. 도 1H는 도 1F의 커브 C1과 다른 형상과 곡률 반경을 갖는 커브 C2의 일예를 보여준다. 커브 C1 및 C2의 서로 다른 곡률과 형상 그리고 서로에 대한 전반적인 직교는 왜곡 렌즈 효과를 제공한다. 굴절 렌즈(102)의 커브 C1 및 C2의 형상과 곡률을 제어함으로, 굴절 렌즈(102)를 통과하는 광신호의 모드 장 형상을 제어할 수 있다.
도 1B를 다시 참조하면, 다중모드 접속용 광섬유(104)는 클래드(114)가 둘레를 감싸고 있는 코어(112)를 가지고 있다. 일실시예에서, 다중모드 접속용 섬유(114)의 특성은 GRIN 렌즈(106)의 특성과 다르다. 전반적으로, 다중모드 접속용 광섬유(104)는 GRIN 렌즈(106)과 코어 직경, 형상, 및/또는 굴절률 프로파일에서 서로 다르다. GRIN 렌즈(106)와 비교하며, 다중모드 접속용 광섬유(104)가 코어 직경과 코어와 클래드의 상대 굴절율 차이가 더 작다. 더욱이, 다중모드 접속용 광섬유(104)의 굴절율 프로파일은 경사형, 계단형 또는 다른 적합한 프로파일을 갖는다. 다중모드 접속용 광섬유(104)의 전체 지름은 GRIN 렌즈(106)의 지름보다 작거나 전체적으로 동일하다. 또한, 다중모드 접속용 광섬유(104)는 테이퍼되어 있다.
도 1A-1G에 도시된 실시예중에 있어서 다중모드 광섬유 및 굴절렌즈 사이에 GrIN 렌즈의 앞단 또는 뒷단에 스페이서 로드(rod)(미도시)를 더 추가할 수 있을 것이다.이러한 스페이서 로드는 로드를 포함한 코어리스 실리카 클래스가 바람직하며, 적합한 외경과 기하학적인 형상을 갖도록 제조될 수 있으며, 균일한 또는 일정 한 굴절율을 가지며, 렌즈 특성이 거의 없거나 전혀 없도록 할 수 있다. 렌즈 구성에서 사용될 때 이러한 스페이서 로드는 추가적인 설계 유연성을 제공한다.
섬유 렌즈의 하나의 응용은 접속용 광섬유에서 광장치로 광을 결합하거나 그 반대로 광을 결합하는 것이다. 도 1I는 넓은 스트립 다중모드 레이저 다이오드(116)로부터 출사된 광을 접속용 광섬유(104)에 결합시키는 것을 보여준다.광 장치 일예로 레이저 다이오드(116) 및 다중 모드 접속용 광섬유(104) 등의 광장치들 사이에 다수의 모드가 결합될 수 있기 때문에 하나의 설계 요구는 광섬유 렌즈(100)의 작업 거리는 굴절 렌즈(102)의 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상에 의해 결정된다. 다른 설계 요구는 GRIN 렌즈(106)의 코어의 직경은 굴절 렌즈(102)의 끝의 모드장의 크기보다 같거나 커야 한다는 것이다.
GRIN 렌즈(106)와 굴절 렌즈(102)의 결합은 극심한 왜곡을 일으키는 데 일예로 높은 타원 형상 빔을 원형 형상 빔으로 또는 그 반대로 만든다. 이러한 것은 1*100um의 크기를 갖는 방사 영역에 다중 모드 광대역 레이저 다이오드를 결합시킬 때 크게 유리하다. 굴절 렌즈(102) 및 GRIN 렌즈(106)의 결합은 결합 렌즈들의 "x" 및 "y" 초점 길이의 독립적인 변화를 가능하게 하며, 반대로 렌즈의 x, y 축을 따른 배율/역배율이 독립적이 되도록 한다. 광섬유 렌즈(100)은 다중모드 접속용 광섬유에 의해 연마된(polished) 쐐기와 비교하여 더 긴 작업 거리를 제공한다. 도 1I에서, 작업 거리(WD)는 레이저 다이오드(116)과 광섬유 렌즈(100)의 거리로서 효과적으로 결합시킬 때 최대가 된다.
끝단에서 볼 때 다중모드 접속용 광섬유(104)의 코어 및 클래드(112, 114)의 형상은 원형 또는 목적하는 응용에 적합한 다른 모양일 수 있다. 예를 들면, 높은 전력의 펌프 응용과 다른 높은 전력의 의학 응용에서, 다중 모드 접속용 광섬유(104)의 코어 형상을 효과적인 결합을 이룰 수 있도록 펌프 레이저 다이오드의 종횡비에 부합시키는 것이 유리하다.
도 3A-3D는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 다중모드 접속용 광섬유의 횡단면도이다.도 3A에서, 다중 모드 접속용 광섬유(304)의 사각형 횡단면의 코어(300) 및 클래드(302)를 가지고 있다. 도 3B에서, 다중 모드 접속용 광섬유(310)의 코어(306) 및 클래드(308)은 타원형의 횡단면을 가지고 있다. 도 3C에서, 다중모드 접속용 광섬유(316)의 코어(312) 및 클래드(314)는 볼록한 끝면을 가지고 있다. 도 3D에서, 다중모드 접속용 광섬유(320)의 코어(318) 및 클래드(320)은 모서리가 둥근 사격형의 횡단면을 가지고 있다. 도 3A-3D의 횡단면의 형상은 큰 종횡비를 가지고 있으며 높은 레이저 응용을 위해 효과적으로 다발화하거나 결합하기 위해 최적화되어 있다. 일실시예에서, 코어 형상의 종횡비 즉 타원율은 1내지 10의 범위에 있다.
도 3A-3D의 코어 형상은 다중모드 광대역 레이저 다이오드(BALDs) 및다른 높은 종횡비의 장치에 결합할 때 큰 이점을 가지고 있다. GRIN 렌즈(도 1B의 106) 및 굴절 렌즈(도 1B의 102)의 결합이 x 및 y의 초점 길이 및 역배율에서 독립적인 설계를 허용하기 때문에, 최적화된 다중모드 접속용 레이저의 y 크기에 대응시키기 위하여 레이저 다이오드의 매우 작은 수직 길이의 이미지를 큰 값으로 확대하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 확대는 다중모드 접속용 광섬유로 입사되는 빔의 발산 각과 개구수를 감소시킨다. 따라서, 다중모드 접속용 광섬유의 개구수는 레이저 다이오드의 수직 개구수보다 더 작다. 예를 들면, 이미지는 수직 방향으로 5내지 10배 확대될 수 있다. x 또는 수평 방향에서, 이미지는 축소될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 레이저 다이오드로부터 120um의 수평 스트립은 다중모드 접속용 고아섬유의 100um 코어로 입사될 수 있다. 이것은 횡단면 영역의 최적화된 사용과 레이저 다이오드의 그것에 매치시키기 위한 접속용 광섬유의 개구수의 최적화를 가능하도록 한다. 공정과 외부 오염물에 의한 손실에 일치하는 극소 클래드 크기는 접속용 광섬유의 횡단면 영역의 사용을 최소화한다.
도 3A -3D에 도시된 바와 같은 횡단면을 가지는 다중모드 접속용 광섬유는 개개의 광섬유 렌즈의 결합 능률에 중요한 영향을 미치지 않으면서 효과적으로 다발화될 수 있다.예를 들면, 도 4A는 도 3C에 도시된 바와 같은 횡단면과 유사한 접속용 광섬유(400)의 다발을 보여준다. 비교를 위하여 도 4B는 표준적인 원형 횡단면을 갖는 접속용 광섬유(402)의 다발을 보여준다. 도 4A에 도시된 접속용 광섬유(400)의 수평 코어 크기는 도 4B에 도시된 접속용 광섬유(402)의 수평 크기와 동일하다. 그러나, 도 4A에 있어서 접속용 광섬유(400)의 다발화 능률은 도 4A의 접속용 광섬유(400)의 형상과 작은 수직 크기는 접속용 광섬유들 사이의 낭비 공간을 줄이기 때문에 도 4B의 접속용 광섬유(402)의 그것보다 좋다.
도 5A-5C는 본 발명의 실시예에 따른 접속용 광섬유를 제조하는 공정을 나타낸다. 도 5A에 도시된 바와 같이 공정은 요구되는 크기와 굴절율 차이 그리고 프로파일을 가지고 있는 코어 블랭크(500)으로부터 시작한다. 이러한 코어 블랭크(500) 는 외부 기상 증착 공정과 같은 표준적인 블랭크 제조 기술을 사용하여 제조된다. 도 5B에 도시된 바와 같이, 코어 블랭크(500)는 원하는 형상으로 그라인딩(grinding)되거나 연마된다.이 예에서, 코어 블랭크(500)는 도 3C에 도시된 바와 같은 횡단면으로 형성된다. 일반적으로, 코어 블랭크(500)은 도 3A 내지 도 3D의 중 어느 하나의 형상으로 또는 다른 적합한 형상으로 형성될 수 있다. 코어 블랭크(500)는 그라인딩과 연마 단계에서 개재된 오염을 제거하여 깨끗하게 한다.그러한 공정은 알콜을 사용하여 클리닝하거나 산 에칭과 열연마 등을 포함한다. 도 5C에 도시된 바와 같이, 코어 블랭크(500)는 예를 들면 외부 기상증착 공정등을 사용하여 적절한 클래드 층(502)을 과도하게 피복한다. 클래드층(502)을 가지고 있는 코어 블랭크(500)는 접속용 광섬유 형상으로 이때 인출될 수 있다. 인출 공정에서 블랭크의 형상을 유지하기 위하여 인출 온도는 주의 깊이 제어되어야 한다. 여기에서는 블랭크 제조 공정에서 표준적인 공정 단계에 대하여 몇몇은 자세하게 설명하지 않았다.
섬유 렌즈(100)는 비트란 2000 접속기와 같은 프로그램 가능한 특성을 갖는 용융 접속기를 사용하거나 다른 열원을 갖고 유사한 제어 파라미터를 가지고 있는 열원을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 사용가능한 열원의 일예는 CO2 레이저이다. 제조공정은 접속용 광섬유와 GRIN 광섬유의 스트립핑, 클리닝, 및 클래빙 등과 관련이 있으며, 광섬유를 접속기에 로딩(loading)하는 것과 관련이 있다.클래브 각은 바람직하게 명세안에 있다. 도 6A에 도시된 바와 같이 접속용 광섬유(600) 및 GRIN 광섬유(602)는 일예로 접속기(미도시)안에서 GRIN 광섬유(602)에 정렬된다. 접속용 광섬유(600)와 GRIN 광섬유(602)는 열연마된다. 열과 텐션(tension)은 접속 결합(603)을 똑바로 하게 하기 위해 즉 접속용 광섬유(600)과 GRIN 광섬유(602)의 광축을 정합시키기 위하여 사용된다. 이러한 단계는 접속용 광섬유와 GRIN 광섬유(602)의 잘못된 정렬을 제거하고 광섬유 렌즈의 조준각을 영으로 근접시키기 위하여 중요하다. 도 6C에 도시된 바와 같이, GrIN 광섬유(602)는 테이퍼형으로 잘라졌으며 적정한 길이로 클래프되어 있다. 도 6D에 도시된 바와 같이, 전-용융 단계는 GRIN 광섬유(602)의 끝을 약간의 볼록 형상(604)으로 형성하기 위하여 사용된다. 볼록한 형상은 GRIN 광섬유(602)의 끝이 굴절 렌즈를 형성할 때 수평 방향에 있어서 균일한 형상과 반경 특성을 얻도록 해준다.
도 6E에 도시된 바와 같이, GRIN 광섬유(602)의 끝은 요구되는 쌍곡선 프로파일의 점근선에 의해 정의된 정점각을 갖는 쐐기(606)을 형성하기 위해 연마되거나 미세 가공된다. 도 6F에 도시된 바와 같이, 쐐기(606)는 쌍곡선 또는 준쌍곡선(608) 형상의 굴절 렌즈를 얻기 위하여 재용융된다. 재용융 단계는 쐐기(606)을 볼록하게 하는 것을 포함한다. 연마와 재용융 공정은 반복적이다. 제조 공정의 진행에서 접속용 광섬유 및 GRIN 광섬유(600, 602)를 포함하고 있는 스테이지의 무브먼트, 가열 필라멘트원, 필라멘트로 전달되는 전류, 가열 시간 등의 변수를 포함한다. 이러한 변수들을 사용하여, 제조공정이 진행됨에 따라 GRIN 광섬유(602)의 끝 형상을 필요한 형상이 된다. 이러한 공정의 특성을 진단하는데는 렌즈 끝 형상의 기하학적인 특성화뿐만 아니라 출력의 원방 분포를 포함한다. 필요하다면, 렌즈 끝 의 재용융은 또한 필요한 발산각과 강도 분포 그리고 작업 거리를 이루기 위하여 행해진다.
GRIN 광섬유의 끝을 굴절 렌즈로 형성하는 대신에 , 개별적으로 굴절렌즈를 형성하고 GRIN 광섬유에 굴절 렌즈를 부착시키는 것도 가능하다. 또한 GRIN 광섬유에 균일한 굴절율을 가지는 섬유나 또는 코어리스 로드를 부착시킨 후에 섬유나 로드를 굴절 렌즈로 만들 수 있다. GRIN 광섬유를 접속용 광섬유에 접속하는 대신에 접속용 광섬유의 하나의 끝단을 굴절 렌즈로 형성하거나 개별적으로 굴절 렌즈를 형성하여 접속용 광섬유에 부착하거나 균일한 굴절율을 가지고 있는 섬유 또는 코어리스 로드를 접속용 광섬유에 접속한 후에 굴절 렌즈로 형성할 수 있다. 다중모드 광섬유와 GRIN 광섬유 렌즈 사이의 물체 거리의 추가적인 자유도를 제공하기 위하여 접속용 광섬유와 GRIN 광섬유의 사이에 스페이서 로드를 개재시키는 것도 가능하다.
한편, 본 발명은 여러개의 바람직한 실시예에 의하여 설명되었지만, 본 발명의 범위에서 변형, 치환, 균등이 가능하다. 그리고, 이어지는 첨부된 청구항은 본 발명의 범위안에서 그러한 변형, 치환, 균등을 포함하도록 해석되어야 한다.

Claims (40)

  1. 다중모드 광섬유; 및
    상기 다중모드 광섬유의 끝단에 위치하며 상기 다중모드 광섬유의 빔을 집속하기 위한 굴절 렌즈를 포함하여 이루어진 섬유 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 상기 다중모드 광섬유에서 출사되는 빔을 회절 한계 스팟으로 집속하도록 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 섬유 렌즈의 적어도 제1 면이 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상을 가지고 있으며, 상기 준쌍곡선 형상은 빔 곡률을 보상하는 교정인자를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 상기 제1 면에 직교하는 섬유 렌즈의 제2 면에서 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제2 면에서 상기 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상의 곡률 반경은 상기 제1 면의 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상의 곡률 반경과 상이한 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 상기 제1 면에 직교하는 상기 섬유 렌즈의 쌍곡선 또는 준쌍곡선과 다른 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 다중모드 광섬유는 대략 1 내지 10의 범위의 종횡비를 갖는 횡단면 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 다중모드 광섬유의 코어는 비원형 횡단면 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 비원형 형상은 사각형인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 비원형 형상은 원형 모서리를 가지고 있는 사각형인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 비원형 형상은 타원인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 비원형 형상은 볼록한 끝면을 가지고 있는 사각형인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  13. 다중모드 광섬유;
    상기 다중모드 광섬유의 끝단에 위치하는 경사형 렌즈; 및
    상기 경사형 렌즈의 끝단에 위치하고, 상기 다중모드 광섬유로부터 이격되어 있으며, 상기 다중모드 광섬유로부터 출사되는 빔을 집속하는 굴절 렌즈를 포함하여 이루어진 섬유렌즈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 상기 다중모드 광섬유로부터 출사되는 빔을 회절 한계 스팟으로 집속할 수 있는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 상기 섬유 렌즈의 상기 적어도 제1 면이 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상을 가지고 있으며, 상기 준쌍곡선 형상은 빔 곡률을 보상하는 교정인자를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 상기 제1 면에 직교하는 상기 섬유 렌즈의 제2 평면에서 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제2 면에서 상기 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상의 곡률 반경은 상기 제1 면의 쌍곡선 또는 준쌍곡선 형상의 곡률 반경과 상이한 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 상기 제1 면에 직교하는 상기 섬유 렌즈의 쌍곡선 또는 준쌍곡선과 다른 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 굴절 렌즈와 상기 경사형 렌즈는 왜곡 렌즈 효과를 제공하는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 다중모드 광섬유는 대략 1 내지 10의 범위의 종횡비를 갖는 횡단면 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  21. 제 13 항에 있어서, 상기 다중모드 광섬유의 코어는 비원형 횡단면 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 비원형 형상은 사각형인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 비원형 형상은 원형 모서리를 가지고 있는 사각형 인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  24. 제 19 항에 있어서, 상기 비원형 형상은 타원인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  25. 제 19 항에 있어서, 상기 비원형 형상은 볼록한 끝면을 가지고 있는 사각형인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  26. 제 13 항에 있어서, 상기 경사형 렌즈는 대략 1 내지 10의 범위의 종횡비를 갖는 횡단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈.
  27. 제1 섬유를 원하는 길이로 절단하는 단계;
    섬유 렌즈의 제1 면에서 쌍곡선의 점근선에 의해 정의되는 횡단면을 갖는 쐐기 형상을 상기 제1 섬유의 끝에 형성하는 단계; 및
    쌍곡선 형상을 형성하기 위해 상기 쐐기의 끝을 원형으로 하는 단계를 포함하여 이루어진 섬유 렌즈의 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 제1 섬유는 다중모드 접속용 광섬유인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 제1 섬유에 다중모드 접속용 광섬유를 접속하는 단계를 더 포함하여 이루어진 섬유 렌즈의 제조 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 제1 섬유는 코어리스 로드인것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 제1 섬유는 경사형 광섬유인 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
  32. 제 29 항에 있어서, 상기 제1 면과 직교하는 상기 섬유 렌즈의 제2 면의 상기 쐐기는 쌍곡선의 점근선에 의해 정의되는 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
  33. 제 27 항에 있어서, 상기 제1 면과 직교하는 상기 섬유 렌즈의 제2 면의 상기 쐐기의 횡단면은 상기 제1 면의 상기 쐐기의 횡단면과 상이한 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
  34. 제 27 항에 있어서, 빔 곡률을 보상하기 위한 교정인자를 가지고 있는 준쌍곡선 형상을 형성하기 위하여 쌍곡선 형상의 곡률 반경을 조정하는 단계를 더 포함 하여 이루어진 섬유 렌즈의 제조방법.
  35. 제 27 항에 있어서, 상기 제1 섬유의 끝에 쐐기를 형성하기에 앞서 상기 제1 섬유의 끝에 볼록한 형상을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어진 섬유 렌즈의 제조방법.
  36. 제 27 항에 있어서, 상기 제1 섬유의 끝에 쐐기를 형성하는 단계는, 상기 제1 섬유의 끝을 연마하거나 또는 미세가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
  37. 제 27 항에 있어서, 상기 쐐기를 원형으로 하는 단계는 상기 쐐기를 용융하거나 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
  38. 제 29 항에 있어서, 상기 다중모드 접속용 광섬유는
    원하는 횡단면 형상에 대하여 원하는 굴절률을 가지고 있는 코어 블랭크를 형성하는 단계;
    상기 코어 블랭크에 클래드를 형성하는 단계; 및
    상기 코어 블랭크와 클래드에서 상기 접속용 광섬유를 인출하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 코어 블랭크를 형성하는 단계는 상기 코어 블랭크를 그라인딩과 연마를 하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
  40. 제 38 항에 있어서, 상기 클래드를 형성하는 단계는 외부 기상 증착 공정을 사용하여 상기 코어 블랭크에 클래드 물질을 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 섬유 렌즈의 제조방법.
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