KR20110133135A - 광 섬유 장치 - Google Patents

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KR20110133135A
KR20110133135A KR1020100052697A KR20100052697A KR20110133135A KR 20110133135 A KR20110133135 A KR 20110133135A KR 1020100052697 A KR1020100052697 A KR 1020100052697A KR 20100052697 A KR20100052697 A KR 20100052697A KR 20110133135 A KR20110133135 A KR 20110133135A
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optical fiber
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배진호
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제주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 광섬유 장치에 관한 것으로, 상세하게는 한쌍의 장주기 격자 사이에 코어모드의 진행광을 차단하고, 상기 한쌍의 장주기 격자를 온도변화를 통해 대역필터로서의 특성을 제어하도록 하되, 섹션별로 구분되게 제어하도록 하는 광 섬유 장치에 관한 것이다.
본 발명의 광 섬유 장치로서, 코어와, 상기 코어와 동심이 되도록 상기 코어를 둘러쌓도록 형성된 클래드와, 코어 모드의 광을 클래딩 모드로 커플링 시키기 위해 상기 코어상에 형성된 제1 장주기 격자와, 상기 제1 장주기 격자와 소정 간격 이격되어 상기 제1 장주기 격자에 의해 커플링된 클래딩 모드의 광을 코어 모드로 커플링 시키기 위해 상기 코어상에 형성된 제2 장주기 격자와, 상기 제1 장주기 격자와 제2 장주기 격자 사이에 상기 제1 장주기 격자에 의해 클래딩 모드로 커플링 되지 않은 나머지 광의 진행을 차단하기 위한 코어모드 블록커를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광 섬유 장치{OPTICAL FIBER DEVICE}
본 발명은 광섬유 장치에 관한 것으로, 상세하게는 한쌍의 장주기 격자 사이에 코어모드의 진행광을 차단하고, 상기 한쌍의 장주기 격자를 온도변화를 통해 대역필터로서의 특성을 제어하도록 하되, 섹션별로 구분되게 제어하도록 하는 광 섬유 장치에 관한 것이다.
광섬유내 코어에 형성되는 격자는 광섬유 코어 내의 굴절률이 주기적으로 변하는 형태를 가진 광소자로서 광섬유 내에 직접 제작되기 때문에 다른 벌크형 소자에 비해 삽입손실이 적고 필터로서의 성능이 우수하여, 현재 광통신 소자로서 각광을 받고 있는 광소자로서, 파장 분할 다중화 통신에 있어 채널 분기/결합, 분산보상, 광섬유 레이저용 공진기 구성 미러등의 분야에 필수적인 소자로 인식되고 있고 그 응용 분야를 넓혀가고 있다.
상기와 같은 광 섬유 격자는 그 주기에 따라 코어모드로 진행하는 빛을 클래딩모드와 결합하여 진행되는 빛의 손실을 이용하는 장주기 격자와 코어모드의 빛을 반대방향의 코어모드와 결합하여 반사시키는 단주기 격자로 구분할 수 있다. 단주기 광섬유 격자는 격자의 주기가 일정한 단일 주기 격자(uniformg ratings), 격자가 광축에 대해 수직이 아닌 일정한 각도를 가질 때 빛의 진행 방향의 역방향으로 반사 모드와 소멸되는 클래딩 모드를 가지는 경사진 격자(tilted gratings), 격자의 주기가 선형 혹은 비선형적으로 증가하는 chirp 광섬유 격자(chirped gratings)가 있으며, 그 외에 단주기와 장주기 광섬유 격자의 주기를 혼합하거나 위상천이 (phase shift)를 주어 특수한 모드 결합 형태를 가지는 격자 등이 있다. 또한, 장주기 광섬유 격자는 그 길이 방향으로 균일하게 굴절률이 변조된 광소자이다. 장주기 광섬유 격자에서는 코어모드를 진행하는 광신호가 코어 내부의 주기적인 굴절률 변화에 의해 동일한 방향으로 진행하는 클래딩 모드들과 커플링되는 원리를 이용하는 소자로서, 코어 모드와 클래딩 모드의 커플링은 파장 선택적으로 발생되므로, 광섬유 격자는 파장 의존형 감쇄 소자(wavelength-dependent loss element)로서 흔히 사용된다. 상기 장주기 격자에서 코어모드의 클래딩 모드로의 커플링은 매우 넓은 영역에서 일어나며, 삽입 손실이 적고, 반사되는 코어 모드가 존재하지 않으며, 편광 특성이 우수하기 때문에, EDFA(erbium doped fiber amplifier)에서 평탄화된 이득을 얻기 위한 이득 평탄화 필터로 많은 연구가 되어 왔고, 뿐만 아니라, 외부에서 가해진 구부러짐, strain, 온도 변화 등에 매우 민감하게 변화하기 때문에, 가변 대역 제거 필터나 모드 변환기(mode converter), 굴절률 센서(refractive index sensors), 온도, 스트레인 센서등으로 응용되어 왔다.
상기와 같은 장주기 격자의 스펙트럼은 중심 파장에 대해 대칭적이므로, EDFA의 이득 평탄화를 위한 임의의 손실 곡선 모양을 맞추기 어려워, 요구되는 형태의 스펙트럼을 정확하게 만족시켜주는 필터를 얻기 힘들었다. 또한 EDFA와 같이 EDF의 길이, 펌프 광원의 세기에 따라 요구되는 필터 특성이 바뀌는 경우, 이렇게 다양한 필터링 요구 조건을 만족시키기 위해서는 대역 통과 필터의 특성을 요구에맞게 제어할 필요가 있게 되었다.
상기와 같은 요구에 기인하는 본 발명은 다양한 광섬유 소자에 요구되는 형태의 스펙트럼을 정확하게 만족시킬 수 있는 광섬유 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
기타, 본 발명의 목적 및 특징은 이하의 발명의 구체적인 내용 및 청구범위에서 더욱 명확하게 드러날 것 이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광 섬유 장치로서, 코어와, 상기 코어와 동심이 되도록 상기 코어를 둘러쌓도록 형성된 클래드와, 코어 모드의 광을 클래딩 모드로 커플링 시키기 위해 상기 코어상에 형성된 제1 장주기 격자와, 상기 제1 장주기 격자와 소정 간격 이격되어 상기 제1 장주기 격자에 의해 커플링된 클래딩 모드의 광을 코어 모드로 커플링 시키기 위해 상기 코어상에 형성된 제2 장주기 격자와, 상기 제1 장주기 격자와 제2 장주기 격자 사이에 상기 제1 장주기 격자에 의해 클래딩 모드로 커플링 되지 않은 나머지 광의 진행을 차단하기 위한 코어모드 블록커를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광섬유 장치에서 상기 광섬유의 제1 장주기 격자 및 제2 장주기 격자가 형성된 외면에 감겨진 코일히터와, 상기 코일히터의 온도를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광섬유 장치에서 상기 제2 장주기 격자를 통과한 광을 피드백 받아 이를 분석하여 보정 피드백 신호를 출력하는 피드백부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 피드백부의 신호를 입력받아, 보정이 필요할 경우 상기 코일히터의 온도를 조정하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광섬유 장치에서, 제1 장주기 격자 및 제2 장주기 격자는 각각 섹션별로 구분되어 있고, 상기 코일히터는 섹션별로 구분되게 감겨져 있으며, 상기 제어부는 각 섹션별 코일히터의 온도를 각기 다르게 제어하도록 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광섬유 장치에서, 상기 제어부는, 상기 코일히터의 온도를, 상기 각 장주기 격자의 이조 계수(Detunning factor) 및/또는 클래드 커플링 계수가 목표값에 이르도록 제어하도록 하는 신호를 출력하는 특징을 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 광 섬유 장치는 각종 응용부품의 요구에 부합되는 스펙트럼을 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서, 광통신과 같은 광섬유 장치를 이용하는 기술에서 광범위하게 사용될 수 있으며, 다목적 광섬유 대역 제거 필터나 EDFA 이득 평탄화용 End 또는 Mid 필터로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 섬유 장치를 설명하기 위한 도면
도 2는 도 1에 도시된 광 섬유 장치에서 광 진행을 설명하기 위한 간략도
도 3은 도 1에 도시된 코일 히터의 부분 확대도
도 4는 도 2를 수학적으로 해석하기 위한 블럭도
도 5는 도 1에 도시된 광섬유 장치의 투과 스펙트럼을 보이는 도면
도 6은 도 1에서 코어모드 블록커가 제거된 상태에서의 투과 스펙트럼을 보이는 도면
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 광 섬유 장치에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기도 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 섬유 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 광 섬유 장치에서 광 진행을 설명하기 위한 간략도이고, 도 3은 도 1에 도시된 코일 히터의 부분 확대도이며, 도 4는 도 1에서 코어모드 블록커가 제거된 상태에서의 투과 스펙트럼을 보이는 도면이고, 도 5는 도 1에 도시된 광섬유 장치의 투과 스펙트럼을 보이는 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광통신을 위한 광 섬유 장치는 광섬유(100)와, 상기 광섬유(100)를 통과한 광을 분석하여 보정여부를 판단하는 피드백부(50)와, 상기 피드백부(50)의 출력신호를 입력받아 후술하는 코일히터(30:30a,30b)의 온도를 제어하기 위한 신호를 출력하는 제어부(40)를 포함한다.
상기 광섬유(100)는 코어(20), 상기 코어(20)와 동심이 되도록 코어(20)를 둘러쌓도록 형성된 클래드(10)와, 상기 코어(20)상에 설정 간격으로 이격되어 형성된 제1, 제2 장주기 격자(21,22)와, 상기 각 장주기 격자(21,22) 사이에 형성된 코어 모드 블록커(23)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 장주기 격자(21,22)는 각각 코어 모드의 광을 클래드 모드로 커플링 시키고, 커플링 모드의 광을 다시 코어 모드의 광으로 커플링 시키기 위한 것으로서, 각 격자의 길이 및 주기, 간격등은 원하는 바대로 형성하여 사용할 수 있다.
상기 코어 모드 블록커(23)는 상기 제1 장주기 격자(21)에 의해 클래드 모드로 커플링 된 광을 제외한 나머지 코어모드 광을 차단하기 위한 것이다.
상기 광섬유(100)의 상기 각 제1 장주기격자(21) 및 제2 장주기격자(22)가 형성된 측의 외면에는 코일히터(30a,30b)가 구비되어 제어부(40)의 제어신호에 의해 온도가 변화하여 제1 장주기격자(21) 및 제2 장주기격자(22)의 굴절율을 변화시킨다. 이는 후술하는 각 장주기 격자(21,22)의 클래드 커플링 계수(Coupling coefficient) 또는 이조계수(Detunning factor)를 변화시키기 위한 것으로서, 아래 수학식으로 상세히 설명한다.
상기 코일히터(30a,30b)는 도 3에 도시된 바와 같이, 임의적으로 분리된 섹션별로 온/오프 또는 온도 제어가 가능하도록 되어 있다. 도 3은 상기 제1 장주기 격자(21)측의 광섬유(100)에 감겨진 코일히터(30a)의 부분 확대도로서, 제1 섹션(110)과, 제2 섹션(120)으로 임의적으로 구분하고 각 구분된 섹션별로 별도의 코일히터를 구비하여 섹션별로 코일히터의 온/오프 또는 온도 제어가 가능하게 된다.
상기와 같은 본 실시예의 광 섬유 장치는 입력되는 광에 대해서 제1 장주기격자(21)에서 해당 격자의 특성에 맞는 파장 대역의 광이 커플링되어 클래딩으로 진행되며, 나머지 광은 코어모드 블록커(23)에 의해 차단된다. 상기 클래딩으로 진행되는 광은 제2 장주기 격자(22)에서 다시 커플링되어 코어로 진행하게 되어 원하는 특정 파장의 광만을 통과시키게 되는 것이다.
도 4를 참고하여, L1과 L2는 장주기격자의 길이이고, d1과 d2는 각 장주기격자와 코어모드 블록커사이의 길이이다. 그리고 db는 코어모드 블록커의 길이를 나타낸다. 모든 길이의 단위는 m로 한다. 도 4의 전기장의 입력과 출력의 관계식은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서 D1과 D2는 아래의 수학식 (2)같이 대각선행렬(Diagonal Matrix)로 표현 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
CB는 아래의 수학식 3과 같이 대각선 행렬(Diagonal Matrix)로 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
또한, M1과 M2는 아래의 수학식 4와 같이 계산이 가능하다.
[수학식 4]
Figure pat00004
상기 수학식 4의 DG는 다음의 수학식 5와 같이 대각선 행렬(Diagonal Matrix)로 표현할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
G(P), (P=1,2,...,N)는 아래 수학식 6과 같이 계산이 가능하다. 수학식 6에서 Bk,l은 행렬의 (k,l) 번째 요소를 의미한다.
[수학식 6]
Figure pat00006
상기 수학식 6의
Figure pat00007
은 다음의 수학식 7의 행렬 요소로 계산이 가능하다.
[수학식 7]
Figure pat00008
상기 모든 수학식에서
Figure pat00009
와
Figure pat00010
는 각각 코어와 P 번째 클래딩 모드의 전송상수(Propagation Constant)이며,
Figure pat00011
P번째 클래딩 모드의 이조계수(Detunning factor)라고 하며,
Figure pat00012
는 P번째 클래딩 모드의 커플링 계수이고,
Figure pat00013
는
Figure pat00014
와 같이 계산할 수 있다.
따라서, 수학식 1로부터 필터의 전송계수(Transmission Coefficient) 와 같이 계산 하는데, 이렇게 계산하는 조건은
Figure pat00015
이며, 이것을 이용하여 t=Q1 , 1는 Eco(out)/Eco(in)으로 계산한다. 이 결과 식에서 제어부(30)는 장주격자의 대역폭의 파장 위치를 변화 시키는 것으로 식 (7)의
Figure pat00016
를 제어하도록 설계가 된다.
즉, 상기 제어부(40)는 코일히터(30)의 온도를 제어하여 각 장주기격자(21,22)의
Figure pat00017
및
Figure pat00018
가 조정되도록 하는 것이다. 본 실시예에서는 상기
Figure pat00019
값을 미리 정해진 값으로 사용하고
Figure pat00020
를 조정하여 원하는 파장의 통과 대역을 얻을 수 있도록 하기 위함이다.
도 5를 살펴보면, (a)는 두 격자가 동일한
Figure pat00021
일 경우이고, (b)는 제2 장주기 격자를
Figure pat00022
으로 변화시킨 예이며, (c)는 제2 장주기 격자를
Figure pat00023
으로, (d)는 제2 장주기 격자를
Figure pat00024
로 조정한 것이다. 도면에서 겹치는 영역만 출력으로 나타나는 것을 알 수 있으며, (d)와 같이 겹치는 영역이 없는 경우 파장 통과 대역이 없음을 알 수 있다.
동일한 조건으로 코어 모드 블록커(23)만 제거하여 측정한 결과 그래프가 도 6에 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 겹치는 영역에 대해 급격한 변화가 이루어지는 것을 알 수 있으며, 특히 겹치는 영역이 많을 수록 그 변화크기가 크게 되는 것을 알 수 있는 것으로서, 코어모드 블록커(23)가 제거된 경우에는 원하는 대역대의 파장을 얻기가 용이하지 않음을 알 수 있다.
상기 도 5에 도시된 봐와 같은 대역통과 필터의 중심파장의 위치를 용이하게 선택할 수 있도록 함이 가능하여 다양한 파장대역의 통신환경에서 특히, 원하는 파장의 신호를 통과 및 제거하는 필터의 역할 수행이 가능하며, 게인 평탄화 필터, 센서등에 사용될 수 있는 효과가 발생한다.
상기에서와 같이 본 발명의 실시예에서는 제1 및 제2 장주기 격자의 굴절율을 변화시키기 위해 코일히터를 사용함을 일예로 하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 및 제2 장주기 격자에 대해서 장력을 가하여 굴절율이 변화되도록 함도 당업자에게는 충분히 가능할 것이다.
앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10 : 클래드 20 : 코어
21 : 제1 장주기 격자 22 : 제2 장주기 격자
30a, 30b : 코일 히터 40 : 제어부
50 : 피드백부

Claims (5)

  1. 코어와,
    상기 코어와 동심이 되도록 상기 코어를 둘러쌓도록 형성된 클래드와,
    코어 모드의 광을 클래딩 모드로 커플링 시키기 위해 상기 코어상에 형성된 제1 장주기 격자와,
    상기 제1 장주기 격자와 소정 간격 이격되어 상기 제1 장주기 격자에 의해 커플링된 클래딩 모드의 광을 코어 모드로 커플링 시키기 위해 상기 코어상에 형성된 제2 장주기 격자와,
    상기 제1 장주기 격자와 제2 장주기 격자 사이에 상기 제1 장주기 격자에 의해 클래딩 모드로 커플링 되지 않은 나머지 광의 진행을 차단하기 위한 코어모드 블록커를 포함하는 광섬유 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유의 제1 장주기 격자 및 제2 장주기 격자가 형성된 외면에 감겨진 코일히터와,
    상기 코일히터의 온도를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 장주기 격자를 통과한 광을 피드백 받아 이를 분석하여 보정 피드백 신호를 출력하는 피드백부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 피드백부의 신호를 입력받아, 보정이 필요할 경우 상기 코일히터의 온도를 조정하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    제1 장주기 격자 및 제2 장주기 격자는 각각 섹션별로 구분되어 있고,
    상기 코일히터는 섹션별로 구분되게 감겨져 있으며,
    상기 제어부는 각 섹션별 코일히터의 온도를 각기 다르게 제어하도록 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 코일히터의 온도를,
    상기 각 장주기 격자의 이조 계수(Detunning factor) 및/또는 클래드 커플링 계수가 목표값에 이르도록 제어하도록 하는 신호를 출력하는 특징을 포함하는 광섬유 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102012105947A1 (de) 2011-12-12 2013-06-13 Hyundai Motor Company Verfahren zum Steuern eines Freihand-Systems für ein Fahrzeug
CN108873177A (zh) * 2018-06-20 2018-11-23 浙江工业大学 反射式机械制长周期光纤光栅带通滤波器
KR102153742B1 (ko) * 2019-11-25 2020-09-08 한국광기술원 광섬유 기반의 전압센서 및 이를 이용한 전압 모니터링 시스템

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