KR20090092513A - 광자 준결정 광섬유 - Google Patents

광자 준결정 광섬유

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KR20090092513A
KR20090092513A KR1020080017800A KR20080017800A KR20090092513A KR 20090092513 A KR20090092513 A KR 20090092513A KR 1020080017800 A KR1020080017800 A KR 1020080017800A KR 20080017800 A KR20080017800 A KR 20080017800A KR 20090092513 A KR20090092513 A KR 20090092513A
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기철식
김소은
이종민
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Abstract

소정의 굴절률을 가지는 코어 영역과, 다수의 홀들이 형성된 클래딩 영역을 포함하는 광섬유가 개시된다. 본 발명에 따른 광섬유는, 소정의 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 코어 영역, 및 상기 코어 영역 주위에 존재하며, 준결정(quasi-crystal) 구조로 배열된 다수의 홀들이 형성된 클래딩 영역을 포함하는 것을 특징으로 하다. 이러한 본 발명에 의하면 거의 모든 파장 영역에서 단일 모드 광섬유가 될 수 있고, 보다 양호한 평탄한 분산 특성을 가지며, 거의 모든 파장 영역에서 단일 모드 광섬유가 되도록 제작하기가 용이하다.

Description

광자 준결정 광섬유{Photonic quasi-crystal fiber}
본 발명은 광섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소정의 굴절률을 가지는 코어 영역과, 다수의 홀들이 형성된 클래딩 영역을 포함하는 광섬유에 관한 것이다.
광섬유는 광통신, 레이저, 가공, 의료영상 및 치료 등 다양한 분야에 매우 폭넓게 사용되고 있다. 좀 더 나은 성능을 갖는 광섬유의 개발은 곧 광섬유를 사용하는 각종 장비 또는 시스템의 성능향상으로 이어지기 때문에 광섬유 관련 연구는 꾸준히 계속되고 있다. 기존 광섬유의 성능 한계를 극복하기 위해 다양한 구조의 마이크로 구조 광섬유가 제안되어 왔다. 그 중에서도 최근, 순수 실리카 광섬유에 주기적인 공기구멍을 만들고 가운데 혹은 일부 공기구멍들을 실리카로 채워 만든 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber)가 매우 흥미로운 광학적 특성을 보여 차세대 광섬유로서 큰 관심을 받고 있다.
도 1은 종래의 광자 결정 광섬유의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 광섬유의 가운데에 코어 영역이 존재하며, 그 주위에 다수의 홀들이 주기적으로 배열되어 클래딩 영역을 이룬다. 광자 결정 광섬유에서는 이러한 다수의 홀들로 인하여 클래딩 영역의 유효 굴절률이 변화됨으로써 빛이 광섬유의 코어 영역에서 가이드된다.
광섬유가 가져야 할 중요한 특성으로서, 거의 모든 파장 영역에서 단일 모드(endlessly single mode)를 가지는 특성과 평탄한 분산(flattened dispersion) 특성 등이 있다. 종래의 광자 결정 광섬유는 비교적 넓은 파장 영역에서 단일 모드 광섬유가 될 수 있고, 평탄한 분산 특성이 다소 양호한 것으로 알려져 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광자 결정 광섬유에 존재하는 다수의 홀들의 구조를 변형시킴으로써 광섬유의 특성을 변화시킬 수 있음에 착안하여, 보다 넓은 파장 영역에서 단일 모드 광섬유가 될 수 있고, 보다 양호한 평탄한 분산 특성을 가지는 광섬유를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유는, 소정의 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 코어 영역; 및 상기 코어 영역 주위에 존재하며, 준결정(quasi-crystal) 구조로 배열된 다수의 홀들이 형성된 클래딩 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다수의 홀들은 6겹 대칭(6-fold symmetric)의 준결정 구조로 배열될 수 있다. 한편, 상기 다수의 홀들은 8겹 대칭(8-fold symmetric)의 준결정 구조 또는 12겹 대칭(12-fold symmetric)의 준결정 구조로 배열될 수도 있다.
또한, 상기 코어 영역은 실리카, 폴리에틸렌, 테프론 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 상기 코어 영역은 상기 소정의 굴절률을 가지는 물질에 게르마늄, 플루오린 중 적어도 하나가 첨가된 물질로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기 코어 영역에는 상기 다수의 홀들보다 작은 직경을 가지는 적어도 하나의 홀이 형성될 수 있으며, 상기 다수의 홀들은 공기로 채워질 수 있다.
또한, 상기 다수의 홀들의 직경과 인접한 홀들 간의 중심거리의 비는 0.525 이하일 수 있다.
상술한 본 발명에 의한 광섬유는, 거의 모든 파장 영역에서 단일 모드 광섬유가 될 수 있고, 보다 양호한 평탄한 분산 특성을 가지며, 거의 모든 파장 영역에서 단일 모드 광섬유가 되도록 제작하기가 용이하다.
도 1은 종래의 광자 결정 광섬유의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 광자 준결정 광섬유의 단일 모드 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 광자 준결정 광섬유의 분산(dispersion) 특성을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 광섬유는 소정의 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 코어 영역과, 상기 코어 영역 주위에 존재하며, 준결정(quasi-crystal) 구조로 배열된 다수의 홀들이 형성된 클래딩 영역을 포함한다. 준결정(quasi-crystal) 구조란, 결정 구조와 마찬가지로 배열은 있지만, 주기적인 배열을 가지는 결정 구조와는 달리 주기가 존재하지 않는 형태의 구조를 말한다. 이하에서는 본 발명에 따른 광섬유를 광자 준결정 광섬유(photonic quasi-crystal fiber)라 명명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단면을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 광섬유는 소정의 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 코어 영역(11)과, 코어 영역(11) 주위에 존재하며, 준결정 구조로 배열된 다수의 홀(12)들이 형성된 클래딩 영역(13)을 포함한다. 그리고 홀(12)들을 제외한 클래딩 영역(13)은 코어 영역(11)과 마찬가지로 소정의 굴절률을 가지는 물질로 이루어진다. 다수의 홀(12)들은 클래딩 영역(13)의 유효 굴절률을 낮추게 되는데, 따라서 코어 영역(11)과 클래딩 영역(13)의 유효 굴절률의 차이로 인한 전반사 효과로 빛이 코어 영역(11)에서 가이드된다.
코어 영역(11)과 클래딩 영역(13)은 실리카(silica)로 이루어질 수 있고, 다수의 홀(12)들은 공기(air)로 채워질 수 있다. 한편, 코어 영역(11과 클래딩 영역(13)은 실리카와 굴절률이 다른 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 테프론(teflon) 등으로 이루어질 수 있으며, 나아가 실리카, 폴리에틸렌, 테프론 등에 게르마늄(Germanium, Ge), 플루오린(Flourine, F) 등이 첨가된 물질로 이루어질 수도 있다. 이처럼 코어 영역(13)과 클래딩 영역(13)을 이루는 물질에 따라 각 영역의 유효 굴절률이 달라지게 되며, (Germanium, Ge), 플루오린(Flourine, F) 등을 적절한 비율로 첨가함으로써 각 영역의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 준결정 구조를 명확히 나타내기 위하여 홀(12)들의 중심을 점선으로 이어 도시하였다. 그리고 도시된 바와 같이 다수의 홀(12)들이 6겹 대칭(6-fold symmetric)의 준결정 구조로 배열된다. 즉, 도시된 단면의 중심을 통과하는 6개의 직선에 의하여 대칭적으로 겹쳐지는 구조이다. 도 1에서 W는 본 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 전체 외경을, a는 인접한 홀(12)들 간의 중심거리를, d는 홀(12)의 직경을 나타낸다. 여기서, 홀(12)들의 직경 d는 수백 나노미터에서 수 마이크론일 수 있으며, 인접한 홀(12)들 간의 중심거리 a는 수십 마이크론 정도일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단면을 나타내는 도면이다. 본 실시예에 의하면, 도 2에서처럼 코어 영역(11) 전부가 소정의 굴절률을 가지는 물질로 채워져 있지 않고, 코어 영역(21)에 다수의 홀(12)들보다 작은 직경을 가지는 하나 이상의 홀(22)이 형성된다. 이러한 홀(22)로 인하여, 코어 영역(21)의 유효 굴절률이 도 1에 도시된 광자 준결정 광섬유의 유효 굴절률보다 낮아지게 되어 다른 광학적 특성을 가지도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단면을 나타내는 도면이다. 본 실시예에 의한 광자 준결정 광섬유는 다수의 홀들이 8겹 대칭(8-fold symmetric)의 준결정 구조로 배열된다. 즉, 도시된 단면의 중심을 통과하는 8개의 직선에 의하여 대칭적으로 겹쳐지는 구조이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단면을 나타내는 도면이다. 본 실시예에 의한 광자 준결정 광섬유는 다수의 홀들이 12겹 대칭(12-fold symmetric)의 준결정 구조로 배열된다. 즉, 도시된 단면의 중심을 통과하는 12개의 직선에 의하여 대칭적으로 겹쳐지는 구조이다.
본 발명에서 클래딩 영역에 형성되는 다수의 홀들은 도 2 내지 도 5에 관하여 설명된 바와 같이 6겹 대칭, 8겹 대칭, 12겹 대칭의 준결정 구조로 배열될 수 있을 뿐만 아니라, 임의의 겹 대칭의 준결정 구조로 배열될 수도 있음은 물론이다. 나아가, 상기 다수의 홀들은 알려져 있는 다른 준결정 구조, 예를 들면 펜로즈 타일링(Penrose Tiling) 구조 혹은 팔각 타일링 구조(octagonal tiling) 등으로 배열될 수도 있다.
도 6은 상술한 실시예들 중 도 1에 도시된 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 단일 모드 특성을 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 가로축은 인접한 홀(12)들 간의 중심거리와 파장의 비를 나타내며, 세로축은 단일 모드 특성을 가늠하기 위한 파라미터인 V-파라미터를 π로 표준화한 값을 나타낸다.
상기 V-파라미터는 다음 수학식에 따라 표현된다.
V=(2πa/λ)(n2 eff.c -n2 eff.cl)0.5
여기서, a는 인접한 홀(12)들 간의 중심거리를, λ는 파장을, neff.c는 코어 영역(11)의 유효 굴절률을, neff.cl은 클래딩 영역의(13)의 유효 굴절률을 나타낸다.
도 6에서, 홀(12)의 직경과 인접한 홀(12)들 간의 중심거리의 비인 d/a를 달리 하여, 몇 개의 d/a 값에 대한 V-파라미터를 색깔 별로 구별하여 그래프를 도시하였다. 그리고 수평으로 도시된 점선의 아래쪽은 단일 모드를 나타내고, 위쪽은 다중 모드(multi mode)를 나타낸다. 각 색깔의 그래프에서, 상기 점선과 만나는 점(원으로 표시) 아래에서는 단일 모드의 특성을 가지고 그 위에서는 다중 모드의 특성을 가진다.
도 6을 참조하면, d/a 값이 0.525 이하인 경우의 그래프들은 모두 거의 모든 파장 영역에서 단일 모드 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 홀(12)의 직경과 인접한 홀(12)들 간의 중심거리의 비를 0.525 이하로 하면 거의 거의 모든 파장 영역에서 단일 모드 특성을 가지게 된다. 거의 모든 파장 영역에서 단일 모드 특성을 가지도록 하는 d/a 값의 상한을 단일 모드 동작을 위한 컷오프(cutoff) 비율이라 하는데, 일반적인 광자 결정 광섬유의 컷오프 비율은 0.406에서 0.442 정도인 것으로 알려져 있다. 상기 컷오프 비율이 클수록 단일 모드 광섬유를 설계하고 제작하기 용이하다. 이처럼 본 실시예에 따르면, 컷오프 비율이 0.525로서 일반적인 광자 결정 광섬유의 컷오프 비율보다 큰 값을 가지므로, 단일 모드 특성을 가지는 광섬유의 제작이 보다 용이하다 할 것이다.
도 7은 상술한 실시예들 중 도 1에 도시된 실시예에 따른 광자 준결정 광섬유의 분산(dispersion) 특성을 나타내는 그래프이다. 여기서 분산 특성이란, 파동의 군속도(group velocity)의 분산 특성을 의미한다. 매우 짧은 펄스를 사용하는 시스템 혹은 파장 분할 다중화 통신 등에서, 서로 다른 파장에 대하여 균일한 응답이 요구되므로 광섬유가 평탄한 분산 특성을 가지는 것은 매우 중요하다.
도 7에서 실선으로 도시된 그래프는 본 실시예에 따른 분산을 나타내고, 점선으로 도시된 그래프는 일반적인 광자 결정 광섬유의 분산을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 실선으로 도시된 그래프는 점선으로 도시된 그래프에 비하여 상당히 넓은 파장 영역에서 전체적으로 평탄한 분산 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 1.49㎛와 1.68㎛ 사이의 파장 영역에서 본 실시예에 따른 분산을 보다 자세히 도시하였는데, -0.05 ps/nm/km에서 +0.05 ps/nm/km 사이의 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이러한 값은 일반적인 광자 결정 광섬유에 비하면 거의 0에 가까운 값으로서, 평탄한 분산 특성이 매우 양호하다 할 것이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 소정의 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 코어 영역; 및
    상기 코어 영역 주위에 존재하며, 준결정(quasi-crystal) 구조로 배열된 다수의 홀들이 형성된 클래딩 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 홀들은 6겹 대칭(6-fold symmetric)의 준결정 구조로 배열된 것을 특징으로 하는 광섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 홀들은 8겹 대칭(8-fold symmetric)의 준결정 구조로 배열된 것을 특징으로 하는 광섬유.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 홀들은 12겹 대칭(12-fold symmetric)의 준결정 구조로 배열된 것을 특징으로 하는 광섬유.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코어 영역은 실리카, 폴리에틸렌, 테프론 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코어 영역은 상기 소정의 굴절률을 가지는 물질에 게르마늄, 플루오린 중 적어도 하나가 첨가된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어 영역에는 상기 다수의 홀들보다 작은 직경을 가지는 적어도 하나의 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 홀들은 공기로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 홀들의 직경과 인접한 홀들 간의 중심거리의 비는 0.525 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유
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