KR20100039155A - 비대칭 광섬유 커플러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직경이 상호 다른 광섬유가 접합된 구조로 된 비대칭 광섬유 커플러에 관한 것으로서, 제1코어와, 제1코어를 감싸는 제1클래드로 되어 일정길이 연장된 메인 광섬유와, 메인 광섬유의 중간 부분에서 제1코어와 경사지게 접합되며 제1코어보다 작은 외경을 갖는 제2코어와 제2코어를 감싸는 제2클래드로 형성된 사이드 광섬유를 구비한다. 이러한 비대칭 광섬유 커플러에 의하면, 순방향 결합효율은 높일 수 있고, 역방향 결합효율을 낮출 수 있는 장점을 제공한다.
Figure P1020080098394
플라스틱 광섬유, 비대칭, 광커플러, 광센서

Description

비대칭 광섬유 커플러{asymmetric optical fiber coupler}
본 발명은 비대칭 광섬유 커플러에 관한 것으로서, 상세하게는 직경이 상호 다른 광섬유가 접합된 구조로 된 비대칭 광섬유 커플러에 관한 것이다.
플라스틱 광섬유는 근거리 통신용뿐만 아니라 광센서로도 많이 이용되고 있다.
광센서는 크게 투과형과 반사형으로 대별된다. 반사형 광센서는 광원과 광검출부를 공간적으로 한곳에 위치시킬 수 있어 시스템 구성이 용이한 장점이 있다.
반사형 광센서의 경우 입력광을 측정대상 센싱부에 출사시키고, 센싱부로부터 반사된 반사광이나 형광을 광검출부를 통해 검출하도록 구축되고, 통상적으로 광커플러가 이용된다. 이러한 광커플러는 입력광이 센싱부에 손실 없이 전달되고, 센싱부에서 반사된 반사광, 또는 형광은 광검출부에만 전달되는 것이 바람직하다.
이를 위해서는 반사형 광센서의 경우 광원과 광검출부가 광학적으로 잘 분리될 필요가 있다. 센싱부로부터 반사된 광이 광원으로 되돌아가면 광원의 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 광원의 안정적 동작에 방해가 된다. 따라서, 광원의 빔이 직접 광검출부로 전달되거나, 센싱부로부터 반사된 광이 다시 광원으로 돌아가는 것은 바람직하지 않다.
한편, 종래에는 외경이 동일한 대칭형 플라스틱 광섬유를 1 대 1로 접합한 광커플러를 이용한 반사형 센서의 경우 기본적으로 6dB의 결합 손실을 가지기 때문에 결합 효율이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 입사된 광의 센싱부로의 전달효율을 증가시키면서, 센싱부로부터 반사되는 반사광의 광검출부 방향으로의 전달효율도 높일 수 있는 비대칭 광섬유 커플러를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비대칭 광커플러는 제1코어와, 상기 제1코어를 감싸는 제1클래드로 되어 일정길이 연장된 메인 광섬유와; 상기 메인 광섬유의 중간 부분에서 제1코어와 경사지게 접합되며 상기 제1코어보다 작은 외경을 갖는 제2코어와 상기 제2코어를 감싸는 제2클래드로 형성된 사이드 광섬유;를 구비한다.
바람직하게는 상기 제1 코어 및 제2코어는 동일한 플라스틱 소재로 형성되고, 상기 제1코어와 상기 제2코어의 접합부분은 상기 제1코어와 굴절율 차이가 1% 이내인 접합제로 접합된다.
또한, 상기 사이드 광섬유는 상기 메인 광섬유로 진행할 수록 외경이 점진적으로 작아지는 테이퍼진 형상으로 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 사이드 광섬유와 상기 메인 광섬유와의 결합각은 8 내지 15°로 적용된다.
본 발명에 따른 비대칭 광커플러에 의하면, 순방향 결합효율은 높일 수 있고, 역방향 결합효율을 낮출 수 있는 장점을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비대칭 광섬유 커플러를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 광섬유 커플러를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 비대칭 광섬유 커플러(100)는 메인광섬유(110)와 사이드 광섬유(120)를 구비한다.
메인 광섬유(110)는 제1코어(111)와, 제1코어(111)를 감싸는 제1클래드(112)로 되어 일정길이 연장되어 있다.
메인 광섬유(110)의 중간부분은 제1코어(111)부분까지 연마처리된 연마부분을 갖는 구조로 되어 있다.
사이드 광섬유(120)는 메인 광섬유(110)의 중간 부분의 연마부분을 통해 접합층(130)을 통해 제1코어(111)와 경사지게 접합되어 있고, 제1코어(111)의 외경(b)보다 작은 외경(a)을 갖는 제2코어(121)와 제2코어(121)를 감싸는 제2클래드(122)로 형성되어 있다.
사이드 광섬유(120)와 메인 광섬유(110)와의 결합각(
Figure 112008070063244-PAT00001
) 즉, 사이각은 8 내지 15°가 되게 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 사이드 광섬유(120)의 제2코어(121)의 직경을 기준으로 제1코어(111) 의 직경은 1.5 내지 3배정도인 것이 바람직하다.
메인 광섬유(110)와 사이드 광섬유(120)는 제1 코어(111)의 굴절율(n3)과 제2코어(121)의 굴절율(n1)이 동일한 플라스틱 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
접합층(130)은 제1코어(111)가 노출되게 메인 광섬유(110)의 연마된 부분에 사이드 광섬유(120)를 접합하기 위해 적용된 것으로서 제2코어(121)의 경사부분(125)과 제1코어(111)의 연마에 의해 노출된 부분을 상호 접합한다.
바람직하게는 접합층(130)을 이루는 접합제의 굴절율(n2)은 제1코어(111)와 동일하거나 굴절율 차이가 1% 이내인 것을 적용한다.
이러한 비대칭 광섬유 커플러(100)는 메인 광섬유의 일단(114)에 측정대상 물질을 피막시킨 센싱부(140)를 결합하고, 사이드 광섬유(120)의 일단(124)을 통해 광을 조사하고, 센싱부(140)로부터 반사되거나 여기된 광을 검출하도록 메인 광섬유(110)의 타단(115)에 광을 검출하는 광검출부(160)를 설치하면 광센서로 이용할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 사이드 광섬유(220)는 메인광섬유(110)로 입사된 후 역으로 사이드 광섬유(220)로 되돌아오는 광을 줄일 수 있도록 메인 광섬유(110)로 진행할 수록 외경이 점진적으로 작아지는 테이퍼진 형상으로 형성될 수 있다. 참조부호 221은 제2코어이고, 참조부호 222는 제2클래드이다.
이하에서는 도 1의 구조와 같은 비대칭 광섬유 커플러의 제작과정을 설명한다.
먼저, 메인 광섬유(110)로 적용할 플라스틱 광섬유의 한쪽 부분을 제1 코어(111)가 노출되게 연마로 제거한다. 연마되는 부분은 평평하게 연마하면 된다. 즉, 연마 후의 메인 광섬유(110)의 연마된 부분의 단면은 영문자의 대문자 "D"와 같은 형상이 된다.
한편, 메인 광섬유(110)보다 직경이 작은 것으로 사이드 광섬유(120)로 적용할 플라스틱 광섬유를 의도하는 결합각(
Figure 112008070063244-PAT00002
)에 대응되게 경사지게 연마한다.
다음은 메인 광섬유(110)의 연마부분에 접착제로 접착층(130)을 형성한 다음 사이드 광섬유(120)의 연마된 경사부분을 접합하면 도 1의 구조의 비대칭 광섬유 커플러(100)가 제작된다.
이하에서는 이러한 비대칭 광섬유 커플러의 동작 특성을 도 2 내지 도 4를 함께 참조하면서 살펴본다.
먼저, 메인 광섬유(110)와 사이드 광섬유(120)의 제1코어(111)와 제2코어(121)의 직경은 광원(150)에서 출사되는 광의 파장에 비해 충분히 크며 다중모드 광섬유 구조이고, 코어(111)(121) 내에서 광세기의 분포는 균질하다고 가정한다. 이러한 비대칭 광섬유 커플러(100)는 기하광학으로 소자를 해석 할 수 있다.
설명에 앞서, θ는 사이드광섬유(120)의 길이방향과 나란한 방향인 z축과 입사 광선(R)과의 사이각이고, β는 제1경계면인 접합층(130)의 표면에 수직한 축(K)에 대한 입사광선(R)의 입사각이고, φ는 입사광선의 x-y 평면에 대한 투영성분의 x축과의 사이각이다.
이하의 설명에서 순방향 결합 효율은 사이드 광섬유(120)로부터 메인 광섬유(110)로의 광 파워의 결합 효율을 의미하여 역방향 결합효율은 그 반대를 의미한다. 순방향 및 역방향 결합효율에서 결합각(
Figure 112008070063244-PAT00003
)과 두 광섬유(110)(120)를 결합시키기 위한 접착층(130)의 굴절률(
Figure 112008070063244-PAT00004
)이 어떠한 영향을 미치는지 살펴본다.
광원(150)으로부터 사이드 광섬유(120)에 입사된 광이 메인 광섬유(110)에 진입하는 순방향 결합효율은 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112008070063244-PAT00005
여기서,
Figure 112008070063244-PAT00006
는 입사광의 사이드 광섬유 내에서 광파워 분포를 나타내며,
Figure 112008070063244-PAT00007
는 접착층(130)의 광투과 계수이다. 또한,
Figure 112008070063244-PAT00008
는 "0" 아니면 "1"의 값을 갖는 것으로서, 입사되는 광선(R)의 입사각(
Figure 112008070063244-PAT00009
)이 메인 광섬유(110)의 내부 전반사 조건에 해당하는 임계각보다 크면 "1", 같거나 작으면 "0"이 된다. 또한, NAa는 사이드 광섬유(120)의 개구수(numerical aperture)이다.
위 수학식 1을 이용하여 메인 광섬유(110)와 사이드 광섬유(120)의 코어(111)(121) 지름의 비를 2:1로,
Figure 112008070063244-PAT00010
, 과
Figure 112008070063244-PAT00011
모두 1.49로 가정하였을 때 결합각(
Figure 112008070063244-PAT00012
)과 접착층(130)의 굴절률(
Figure 112008070063244-PAT00013
) 변화에 따른 순방향 결합 효율을 시뮬레이션하여 산출한 결과가 도 6에 나타나 있다.
도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이 순방향 결합 효율은 접착층(130)의 굴절 율이 광섬유 코어의 굴절률과 같을 때 가장 높다.
또한, 결합각(
Figure 112008070063244-PAT00014
)이 커지면 순방향 결합 효율이 감소하는데 이는 메인 광섬유(110)에서 입사광이 전반사 조건을 만족하지 못하는 광선의 수가 증가하기 때문이다.
한편, 사이드 광섬유(120)의 굴절률이 접착층(130)의 굴절률보다 작은 경우 첫째 경계면에서 광선이 전반사로 입사되지 못하는 경우가 있으며 접착층(130)의 굴절율(
Figure 112008070063244-PAT00015
)이 클수록 더 많은 광선이 첫째 경계면에서 전반사를 일으켜 결합 효율을 감소시킨다.
역방향 결합 효율은 메인 광섬유(110)의 단면적과 사이드 광섬유(120)의 단면적의 비에 의존한다.
역방향 결합 효율은 도 4에 도시된 x', y', z' 좌표계를 이용하여 산출하면, 다음의 수학식 2로 표현할 수 있다.
Figure 112008070063244-PAT00016
여기서, φ'은 역으로 진행하는 광선(R')의 x'-y'평면의 투영성분에 대한 x'축과의 사이각이고, Θ는 연마면에 수직한 축(K')과 광선(R')과의 사이각이고, α'은 접촉층(130)으로부터 사이드광섬유(120)로 향하는 광선의 연마면에 수직한 축(K')과의 사이각이다.
또한, Aa는 사이드 광섬유(120)의 단면적이고, Am은 메인 광섬유(130)의 단면적이고, NAm은 메인광섬유(110)의 개구수이고, E'은 메인 광섬유(110)내에서의 광파워분포이고, T'은 메인광섬유(110)으로부터 접착층(130)의 투과계수(T32)와, 접착층(130)으로부터 사이드광섬유(120)로의 투과계수(T21)를 승산한 값이고,
Figure 112008070063244-PAT00017
는 "0" 아니면 "1"의 값을 갖는 것으로서, 접착층(130)으로부터 사이드광섬유(120)을 향해 입사되는 광선의 입사각(β')이 사이드 광섬유(120)의 전반사조건에 해당하는 임계각보다 크면 "1", 같거나 작으면 "0"이 된다.
한편, 메인광섬유(110)에서 역방향으로 진행하던 일부 광선은 사이드 광섬유(120)와 측면 결합된 연마부분과 부딪치고 일부 광파워는 사이드 광섬유(120)로 결합된다. 앞서와 같은 방법으로 위 수학식 2를 이용하여 결합각(
Figure 112008070063244-PAT00018
)과 접착층(130)의 굴절률(
Figure 112008070063244-PAT00019
) 변화에 따른 역방향 결합 효율을 시뮬레이션하여 산출한 결과가 도 7에 나타나 있다.
도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 역방향 광결합 효율은 결합각이 증가할수록 감소한다.
이러한 분석을 바탕으로 플라스틱 광섬유를 제작하였다.
제작에 사용된 플라스틱 광섬유의 제1 코어(111) 및 제2코어(121)의 지름은 각각 3mm와 1.5mm 였고, 굴절율은 630nm에서 모두 1.49이고, 제1 및 제2 클래드(112)(122)의 굴절율은 1.41인 것을 적용하였다. 두 광섬유(110)(120) 모두 개구수는 0.5 이다.
또한, 3mm 외경을 가진 메인 광섬유(110)를 구부린 상태로 측면을 연마하여 연마된 면의 폭이 1.5mm가 되게 하고, 사이드 광섬유(120에 대해서는 결합각이 5°, 8°, 12°, 20°가 되게 각각 연마하였다. 접합층(130)으로는 굴절율이 1.49인 상품명 KS-9의 에폭시와 굴절율이 1.56인 상품명 NOA81의 에폭시를 이용하여 상호 다른 결합각 및 접합제를 적용하여 10개를 제작하였다.
제작된 소자의 특성은 삽입손실과 반사광의 분리비로 평가하였다. 광원(150)은 635 nm 레이저 광원을 이용하였다.
측정결과 광원(150)으로부터 입사된 광이 센싱부(140)가 부착된 일단(114)에 전달되는 광파워 전달비는 -2.2 dB 였다. 반면 센싱부(140)에서 반사된 광이 광검출부(160)와 광원(150)으로 돌아가는 광량의 비, 즉, 광파워 분리비는 12.4 dB 였다. 이러한 결과는 일반적이 대칭형 방향성 결합기가 기본적으로 6 dB의 손실을 가지는데 비해 본 소자는 2.2 dB의 손실을 가지기 때문에 3 dB 이상의 결합효율을 증가시키는 결과를 가져 왔음을 의미한다.
또한, 제작된 각 광커플러에 대해 순방향 결합효율과 역방향 결합효율을 측정한 결과를 앞서 도 6 및 도 7의 시뮬레이션 산출값과 비교해 보인 도 8 및 도 9를 통해 알 수 있는 바와 같이 순방향 결합각은 측정치에서도 이론적 예측과 마찬가지로 결합각이 증가하면서 순방향 결합비는 감소하였다. 다만, 이론적 예측보다 약간 작게 나타났는데 이러한 결과는 연마된 표면에서 산란손실, 제작과정의 오차 등에서 나오는 것으로 예측된다. 역방향 결합비도 이론적 예측보다 다소 작게 나타 났다.
이러한 결과로부터 결합각과 접착제의 굴절률을 제어하면 원하는 결합효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 광섬유 커플러를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 비대칭 광섬유 커플러의 사이드 광섬유를 통해 입사된 광선의 메인 광섬유로의 순방향 결합효율을 분석하기 위한 도면이고,
도 3은 도 2의 사이드 광섬유에 대해 설정한 좌표계 및 파라미터를 도시한 도면이고,
도 4는 도 1의 비대칭 광섬유 커플러의 센싱부로부터 반사된 광의 사이드 광섬유로의 역방향 결합효율을 분석하기 위한 좌표계 및 파라미터를 나타내 보인 도면이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비대칭 광섬유 커플러를 나타내 보인 단면도이고,
도 6은 도 1의 구조로 된 비대칭 광섬유 커플러의 접착층의 굴절율 및 결합각의 변화에 따른 순방향 결합효율을 시뮬레이션에 의해 산출한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 도 1의 구조로 된 비대칭 광섬유 커플러의 접착층의 굴절율 및 결합각의 변화에 따른 역방향 결합효율을 시뮬레이션에 의해 산출한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 도 1의 구조로 제작된 비대칭 광섬유 커플러의 접착층의 굴절율 및 결합각의 변화에 따른 순방향 결합효율을 측정한 결과를 시뮬레이션값과 비교해 나 타내 보인 그래프이고,
도 9는 도 1의 구조로 제작된 비대칭 광섬유 커플러의 접착층의 굴절율 및 결합각의 변화에 따른 역방향 결합효율을 측정한 결과를 시뮬레이션값과 비교해 나타내 보인 그래프이다.

Claims (4)

  1. 제1코어와, 상기 제1코어를 감싸는 제1클래드로 되어 일정길이 연장된 메인 광섬유와;
    상기 메인 광섬유의 중간 부분에서 제1코어와 경사지게 접합되며 상기 제1코어보다 작은 외경을 갖는 제2코어와 상기 제2코어를 감싸는 제2클래드로 형성된 사이드 광섬유;를 구비하는 것을 특징으로 하는 비대칭 광섬유 커플러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 코어 및 제2코어는 동일한 플라스틱 소재로 형성되고, 상기 제1코어와 상기 제2코어의 접합부분은 상기 제1코어와 굴절율 차이가 1% 이내인 접합제로 접합된 것을 특징으로 하는 비대칭 광섬유 커플러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 사이드 광섬유는 상기 메인 광섬유로 진행할 수록 외경이 점진적으로 작아지는 테이퍼진 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 광섬유 커플러.
  4. 제1항에 있어서, 상기 사이드 광섬유와 상기 메인 광섬유와의 결합각은 8 내지 15°인 것을 특징으로 하는 비대칭 광섬유 커플러.
KR1020080098394A 2008-10-07 2008-10-07 비대칭 광섬유 커플러 KR100989670B1 (ko)

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