KR20080042404A

KR20080042404A - 광섬유 편광변환기

Info

Publication number: KR20080042404A
Application number: KR1020060110776A
Authority: KR
Inventors: 이병하; 김명진
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US20080112664A1; US20090214153A1; JP2008122966A; US7844151B2

Abstract

광섬유 편광변환기가 개시된다. 편광변환기는 광민감성을 가지는 광섬유에 레이저를 광섬유의 측면에 조사한다. 레이저의 조사에 의해 광섬유 코어는 비대칭적인 굴절율의 변화가 유도된다. 비대칭적인 굴절율 변화에 따라 광섬유를 따라 도파되는 코어모드에 복굴절이 야기된다. 복굴절을 가지는 광섬유 단편은 통상의 광섬유 도파 경로에 배치되고, 단편을 지나는 광신호의 편광상태는 변경될 수 있다. 레이저의 조사에 의해 광섬유를 통과하는 광신호에는 위상변위가 발생되고, 편광상태가 변경된다. 도파 경로에 배치되는 편광변환기는 구부림 또는 부러짐 현상을 방지하기 위해 금속관으로 보호되고, 용이한 접속을 위해 양단에 광섬유 커넥터가 적용된다.

Description

광섬유 편광변환기{In-line Polarization-state Converter}

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 복굴절을 가지는 광섬유 단편의 제작을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 광섬유 코어에 유도된 비대칭적인 굴절율을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 복굴절이 인가된 광섬유 단편의 패키징 모식도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 상기 도 3에 도시된 광섬유 단편 패키징의 비틀림을 방지하기 위한 패키징의 분해도이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 편광 변환기의 조립도 및 광섬의 편광 변환기의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 입력된 광이 편광변환기에 의해 변환된 편광 상태들을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 광섬유 120 : 금속 튜브

140 : 광섬유 패럴 200 : 광섬유 커넥터 어댑터

300 : 하부지지 패널

본 발명은 광소자(optical device)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 편광상태의 변환이 가능한 광소자에 관한 것이다.

광섬유 내부에서 편광을 제어하는 기술은 광통신 분야, 광섬유 레이저, 광섬유 자이로스코프 등에서 빼놓을 수 없는 부분으로 광결합 손실이 적으면서도 편광 상태를 분리하거나 변환하는 여러 가지 방법들이 제안되고 있다.

예컨대, 자체적으로 복굴절을 갖는 다양한 편광유지 광섬유를 사용하거나 편광유지 광섬유 자체에 물리적 변형을 주어 편광상태를 변화시키는 방법, 하나 이상의 외부 편광소자와 벌크 렌즈 또는 렌즈군을 연결하여 편광상태를 변화시키는 방법, 원통형의 압전 소자를 사용하여 광섬유에 복굴절을 인가하여 편광상태를 변화시키는 방법, 광섬유 격자의 복굴절을 이용하여 편광상태를 분리하는 방법, 그리고 광섬유를 측면연마한 후 금속코팅을 입혀 편광상태를 분리하는 방법들이 대표적으로 제안되었고 실제로 사용되고 있다.

편광유지 광섬유는 대부분 복잡한 구조를 가지고 있는데, 편광유지 광섬유 내부에 코어와 클래딩 부분 이외에 다른 구조(bow-tie 구조나 Panda 광섬유와 같은 구조)를 추가로 구성하여 코어부분에 스트레스를 인가함으로써 복굴절을 유도하는 방법과 광섬유 코어 자체를 비대칭으로 제작하여 복굴절을 유도하는 방법이 사용된다. 하지만 이러한 편광유지 광섬유는 큰 복굴절을 인가하기 위해 광섬유의 구조가 복잡해지므로 제작하기가 쉽지 않을뿐더러, 통상적으로 쓰이는 단일모드 광섬유와의 접속에 있어서 접속손실이 크거나 그렇지 않더라도 이종 광섬유끼리 접속하기가 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다.

박막(Thin-film) 형태의 선형편광기(linear polarizer) 및 파장판(wave plate)과 같은 외부 편광소자들은 잘 알려진 우수한 편광소자이지만, 벌크 렌즈나 렌즈군을 별도로 이용해야 하기 때문에 제작과정이 어렵고 상당히 고가로 구성된다는 단점이 있다.

다음으로 광섬유를 원통형의 압전 소자에 감아서 사용하는 방법은 압전 소자에 걸리는 전압을 조절함으로써 복굴절을 빠르게 조절할 수 있게 고안되었기 때문에 복굴절에 의한 광신호의 위상차를 비교적 정확하게 유도할 수 있다. 하지만 구부림에 의한 광손실을 최소화하기 위해서는 압전소자의 크기가 커야하고, 압전소자에 감겨진 광섬유의 바깥쪽 주위에 덧붙여 복굴절 변조나 편광변조를 보상하는 보강재가 추가되어야 한다.

광섬유 격자의 복굴절을 사용하는 경우는 광섬유 격자의 파장 의존성 때문에 특정 파장에서만 유효하다는 단점이 있으며, 측면연마 후 코팅하는 방법은 상당히 작은 직경의 광섬유 코어 부분을 정밀하게 연마하고 금속을 코팅하여야 하기 때문에 제작과정이 까다롭다. 더불어 이 두 가지 경우는 서로 직교하는 편광상태만을 제어한다는 한계도 갖고 있다.

따라서, 편광유지 광섬유나 외부 편광소자를 사용하지 않고, 광신호의 편광 상태를 제어할 수 있는 편광 변환기가 요구된다 할 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광섬유를 사용하여 광섬유를 따라 도파되는 광신호의 편광상태를 변환할 수 있는 편광 변환기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지지패널 상에 고정되는 광섬유 커넥터; 및 상기 광섬유 커넥터에 체결되고, 회전각에 따라 편광 상태가 변경되는 광섬유 패키징을 포함하고, 상기 광섬유 패키징은 레이저 빔의 조사에 의해 굴절율이 상승된 광섬유 단편에 의해 편광 상태를 변경시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광변환기를 제공한다.

본 발명에 따른 편광 변환기는 통상의 단일 모드 광섬유에 레이저를 측면에서 조사하여, 조사된 광섬유에 복굴절을 인가한다. 복굴절이 인가된 광섬유 단편은 광신호의 편광 상태를 제어하는데 사용된다. 따라서, 편광 상태를 제어하기 위한 구조는 단순화되며, 통상의 단일 모드 광섬유를 사용함에 따라 다른 종류의 광섬유 간의 접속에 의한 광손실은 최소화되고, 광섬유 선내에서의 편광변환성능 및 활용도는 향상된다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

실시예

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 복굴절을 가지는 광섬유 단편의 제작을 설 명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 광섬유(100)에 레이저 빔(10)이 측면에서 조사된다. 레이저 빔(10)이 조사되는 영역에는 광섬유 코어(101)에 비대칭적인 굴절률의 증가가 유도된다. 상기 레이저 빔(10)의 파장 범위는 100nm 내지 1050nm 이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 광섬유 코어(101)에 유도된 비대칭적인 굴절율을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 레이저 빔(10)이 광섬유(100)의 좌측에서 조사되는 경우, 광섬유 코어(101)는 좌측 부위에서 높은 굴절율을 가진다. 또한, 레이저 빔(10)이 광섬유(100)의 좌우측에서 조사되는 경우, 광섬유 코어(101)는 좌우측 양측 부위에서 높은 굴절율을 가지게 된다. 상기 도 2에서 나타나는 바와 같이, 레이저 빔(10)이 조사된 영역에서는 광섬유(100)의 굴절율이 조사되지 않은 영역에 비해 비대칭적으로 증가하는 현상을 알 수 있다.

상기 도 1 및 도 2에서 광섬유 코어(101)에 굴절율의 변화를 유도하는 방법으로는 크게 화학적 반응을 이용하는 방법과 물리적 반응을 이용하는 방법이 있다.

먼저, 화학적 반응을 이용하는 방법은 두 가지로 정리할 수 있다. 첫째, 광섬유를 100기압 정도의 고순도 액체 수소가 담긴 고압 용기에 담고 100℃ 온도에서 가열하여 수소처리를 한 후, 수소처리된 광섬유에 UV 레이저를 조사하는 방법이 있다. 둘째로는 광섬유 코어에 Boron이 첨가된 광민감성 광섬유에 UV 레이저를 조사하는 방법이 있다.

통상의 광섬유는 GeO₂ 와 SiO₂로 구성된 코어 영역(101)과 SiO₂ 만으로 이루어진 클래딩 영역(103)으로 이루어져있는데, 수소처리를 거치면 광섬유 전체 영역에 수소 분자들이 균일하게 분포하게 된다. 이때 UV 레이저를 조사하게 되면, 코어 영역에 포함된 GeO₂ 분자들이 수소 분자들과 함께 화학적 변화를 일으켜 광섬유 코어(101)의 굴절률이 변하게 된다.

한편, 코어에 Boron 등을 첨가하여 만든 광민감성 광섬유의 경우도 Boron이 수소 분자들과 같은 역할을 하여 광섬유 코어(101)의 굴절률을 변화시키게 된다. 이러한 화학적 반응에 의한 굴절률 변화는 100nm ~ 350nm 의 파장을 갖는 레이저를 이용하여 유도할 수 있다. 이때, 굴절률 변화 정도는 흡수되는 UV 레이저의 세기에 비례하는데, 광섬유(100)의 측면에서 조사된 UV는 광섬유 구조에 의한 빛의 산란현상 때문에 광섬유 단면에서 흡수율이 달라지게 되어 비대칭적 굴절률 변화가 일어나게 된다. 이러한 현상은 도 2에 나타내어져 있다.

물리적으로 굴절률을 변화시키는 방법은 500nm ~ 1050nm 의 파장을 갖는 고출력 레이저를 이용하여 광섬유(100)에 열처리를 가함으로써 발생하는 구조적인 변화를 통해 쉽게 구현이 가능하다. 광섬유(100)의 기하학적 구조가 변화되면 빛의 도파 조건이 달라져 빛의 유효굴절률이 달라지게 되는데, 기하학적 구조가 비대칭적이면 그에 따른 유효굴절률 차이가 유도되어 복굴절 현상이 생기게 된다.

본 발명의 편광변환기는 위와 같은 다양한 방법으로 광섬유(100)에 유도 가능한 복굴절을 이용한다

도 3을 참조하면, 상기 도 1에 개시된 레이저 빔의 조사에 의해 형성된 복굴절이 인가된 광섬유 단편(100)은 금속 튜브(120) 및 광섬유 패럴(140)에 의해 패키징된다.

예컨대, 약 2cm 이내의 짧은 영역에서 복굴절된 구간을 가지는 광섬유 단편(100)에는 금속 튜브(120)가 씌워진다. 상기 금속 튜브(120)는 복굴절된 광섬유 단편(120)을 보호하는데 사용된다. 또한, 광접속을 원활하게 하기 위해 광섬유 페럴(140)이 광섬유 단편(100)의 양 단면에 구비된다.

또한, 광섬유의 구부림 및 인장에 의한 영향을 배제하기 위해 연결부위(145)는 에폭시 등으로 고정된다.

도 4를 참조하면, 상기 도 3에 개시된 광섬유 단편 패키징은 광섬유 패럴(140) 부위에 홈(150a, 150b)을 가진다. 또한, 상기 광섬유 단편(100)의 외곽 영역에는 하우징이 구비된다. 바람직하게는, 상기 하우징은 상부 하우징(160)과 하부 하우징(180)으로 분리된다.

상기 홈(150a, 150b)은 광섬유 단편의 회전시, 광섬유의 비틀림에 의한 편광변화를 방지하기 위한 것이다. 광섬유 패럴(140) 부위에 구비된 홈(150a)은 하부 하우징(180)에 체결된다. 즉, 하부 하우징(180)의 제1 돌출부(185)에 체결된다. 또 한, 광섬유 패럴 부위에 구비된 다른 홈(150b)은 상부 하우징(160)에 체결된다. 즉, 상부 하우징(160)의 제2 돌출부(165)에 체결된다.

또한, 상부 하우징(160) 및 하부 하우징(180)은 광섬유 단편을 보호하는 금속 튜브(120)의 외곽을 감싸도록 구비된다. 실시의 형태에 따라 상부 하우징(160) 및 하부 하우징(180)은 각각 분리된 형태로 조합되지 아니하고, 하나의 하우징으로 구비될 수 있다. 하나의 하우징으로 구비되는 경우, 광섬유 패럴(140), 홈(150a, 150b) 및 금속 튜브(120)로 형성된 상기 도 3에 도시된 패키징은 하우징에 삽입된다. 하나의 하우징은 적어도 하나의 홈을 구비하고, 홈과 체결되어 광섬유 단편의 회전시 광섬유의 비틀림을 방지한다.

도 5a를 참조하면, 도 4에 개시된 광섬유 패키징은 광섬유 커넥터 어댑터(200)에 체결된다. 또한, 상기 광섬유 커넥터 어댑터(200)는 하부지지 패널(300)에 고정된다. 상기 광섬유 커넥터 어댑터(200)의 고정은 하부지지 패널(300)에 구비된 접착부위(310)와의 결합에 의해 달성된다.

상기 광섬유 패키징은 하부지지 패널(300)에 고정된 광섬유 커넥터 어댑터(200)에 의해 독립적으로 회전 가능한 상태가 된다.

도 5b를 참조하면, 최초 입력된 광신호의 편광상태 SOP₁이 첫 번째 광섬유 단편이 갖는 복굴절로 인해 편광상태 SOP₂로 변환되게 된다. 이때 SOP₂는 첫 번째 광섬유 단편의 회전각 에 따라 다르게 변환된다.

또한, 두 번째 광섬유 단편에 의해 SOP₂가 재차 변환되어 또 다른 편광상태 SOP₃로 출력되게 된다. 결과적으로 임의의 입력 편광 SOP₁은 첫 번째 광섬유 단편의 회전각에 따라 다양한 편광상태 SOP₂로 출력되게 되고, 두 번째 광섬유 단편의 복굴절 축의 변화에 따라 다시 출력 편광 SOP₃로 변환되므로 한층 더 다양한 편광상태로 변경될 수 있다.

또한, 상기 도 5a 및 도 5b에서는 광섬유 단편을 가지는 패키징이 2개 구비되어 2회의 편광 상태의 변경을 수행하였으나, 상기 광섬유 단편은 변경하고자 하는 편광 상태에 따라, 다양한 횟수로 구비될 수 있다. 즉, 1회의 편광 상태의 변경을 원하는 경우, 하나의 광섬유 단편 패키징이 사용될 수도 있으며, 변경되는 편광 상태에 따라, 다양한 횟수의 구비가 가능하다.

도 6을 참조하면, 입력된 광은 변광 변환기를 통해 다양한 형태의 편광 상태가 가능함을 알 수 있다. 또한, 상기 도 6에서는 대표적인 편광 상태들만이 나타내었으며, 이외에도 광섬유 단편의 복굴절 회전각에 따라 다른 모든 편광 상태들로 변환이 가능함을 알 수 있다.

본 발명에서는 광섬유 단편에 레이저를 측면 조사하여 복굴절을 가지게 하고, 이를 투과하는 광신호의 위상 변위로 인해 편광상태가 변하는 특성을 이용한 다. 본 발명에 다른 광섬유 편광변환기는 구부림 또는 부러짐 현상을 방지하기위해 금속관으로 보호되고, 용이한 접속을 위해 양단에 광섬유 커넥터가 적용된다. 따라서, 편광기나 파장판 등의 외부 편광소자나 이들의 광결합을 위한 렌즈 시스템 등이 사용되지 않으며, 광섬유 커넥터를 사용하여 용이하게 접속할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 광섬유에 레이저를 조사하여 광섬유 단편에 복굴절을 인가한다. 또한, 복굴절이 인가된 광섬유 단편을 사용하며, 이를 통과하는 광신호의 편광상태를 제어하는 편광 변환기가 구현된다. 편광 상태의 조절을 위한 편광 변환기는 이종 광섬유 간의 접속에 의한 광손실을 최소화하며, 광섬유 선태에서의 편광변환성능 및 활용도는 향상된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

지지패널 상에 고정되는 광섬유 커넥터; 및

상기 광섬유 커넥터에 체결되고, 회전각에 따라 편광 상태가 변경되는 광섬유 패키징을 포함하고,

상기 광섬유 패키징은 레이저 빔의 조사에 의해 굴절율이 상승된 광섬유 단편에 의해 편광 상태를 변경시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광변환기.
제1항에 있어서, 상기 광섬유 패키징은,

상기 레이저의 조사에 의해 굴절율이 상승된 상기 광섬유 단편;

상기 광섬유 단편의 외곽을 보호하는 금속 튜브; 및

광접속을 원활하게 하기 위해 광섬유 단편의 종단부에 구비되고, 고정용 홈을 가진 광섬유 패럴을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광변환기.
제2항에 있어서, 상기 광섬유 패키징은, 상기 금속 튜브의 외곽을 감싸고, 상기 광섬유 패럴의 홈에 체결되는 돌출부를 가진 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광변환기.
제3항에 있어서, 상기 하우징은 상하 분리가 가능한 상부 하우징 및 하부 하우징으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광변환기.
제1항에 있어서, 상기 레이저 빔의 파장은 100nm 내지 350nm이며, 조사되는 광섬유에서 화학적 변형을 유도하여 굴절율을 상승시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광변환기.
제1항에 있어서, 상기 레이저 빔의 파장은 500nm 내지 1050nm이며, 조사되는 광섬유에서 물리적 변형을 유도하여 굴절율을 상승시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광변환기.