KR20240074612A - 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계로서, 입력선으로 입력된 편광을 제1 경로 및 제2 경로로 분기하는 입력 광 분기부; 상기 제1 경로 및 제2 경로로 진행된 광을 합하여 출력선으로 출력하는 출력 광 분기부; 상기 제1 경로를 이루며, 서로 수직인 x축과 y축을 가지고, 입력된 x편광 또는 y편광의 편광 상태를 유지하고, 상기 x편광의 굴절률 n_x와 상기 y편광의 굴절률 n_y차이로 인한 복굴절()이 음의 온도계수()를 가지는 편광 유지 광섬유(PMF)로 이루어진, 제1 경로부; 및 상기 편광 유지 광섬유로 상기 제2 경로를 이루며, 상기 제1 경로부와 편광축이 수직을 이루도록 배치되어 상기 복굴절률의 음의 온도계수에 의해 상기 제1 경로와 상기 제2 경로의 길이차이()로 인한 온도의존성을 상쇄하는 보상부를 가지는 제2 경로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계를 제공한다.

Description

편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계{Optical delay and optical interferometer with suppressed temperature dependence using polarization-maintaining optical fiber}

본 발명은 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 편광 유지 광섬유의 복굴절이 갖는 온도 특성을 이용해서 이용하여 온도 의존성을 상쇄하는 광 지연 및 광 간섭계에 관한 것이다.

편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber, PMF)는 진행하는 빛의 편광 방향에 따라 유효 굴절률이 다른, 즉 복굴절(birefringence)을 갖는 광섬유이다.

도 1은 판다 편광 유지 광섬유(PANDA PMF)의 단면도이다.

대표적인 상용 PMF인 판다(PANDA) 또는 보우타이(Bow-tie) 광섬유는 클래딩 영역에 클래딩과 열 팽창 계수가 다른 응력부여 유닛이 삽입되어 있는 구조를 가지고 있으며, 이로 인해 상온에서 유닛 배치와 나란한 방향과 수직 방향으로 서로 다른 크기의 응력이 발생한다. 응력 유도 복굴절(stress-induced birefringence)에 의해 두 개의 서로 수직한 편광 축이 나타나며, 각 편광 축과 나란한 방향으로 편광된 빛이 입사하는 경우 빛은 편광 상태를 유지하며 진행하게 된다. 빛의 유효 굴절률이 높은 편광 방향을 느린 축(Slow Axis, x축), 유효 굴절률이 낮은 편광 방향을 빠른 축(Fast Axis, y축)이라고 한다. x축 방향으로 편광된 빛의 유효 굴절률을 , y축 방향으로 편광된 빛의 유효 굴절률을 라고 하면 이고, 두 유효 굴절률의 차이를 복굴절()이라고 한다.

광 간섭계는 빛이 두 경로로 나뉘어 각각 진행한 후 다시 합쳐져 간섭을 일으키는 구조를 가지고 있으며, 간섭하는 두 빛의 위상 차이에 따라 보강 또는 상쇄 간섭이 발생하여 빛의 세기가 달라진다.

도 2는 비대칭 마하-젠더 간섭계(UMZI)의 구성 및 이를 이용한 광 필터의 동작을 나타낸다.

도　2는 광섬유를 이용하여 제작되는 간섭계의 대표적인 형태 중 하나인 광섬유 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)의 한 종류와, 입사된 빛의 파장에 따른 그 투과 특성을 보여주는 그림이다. 도　2와 같이 두 경로의 길이를 다르게 구성한 MZI를 비대칭 MZI(unbalanced MZI, UMZI)라고 하며, 서로 다른 광 주파수를 가진 빛이 동시에 입사했을 때 각각을 분리하는 광 필터로 사용하거나, 한 쪽 출력의 변화를 통해 길이 변화를 측정하는 센서로 사용할 수 있다. 광섬유 MZI와 같은 광섬유 간섭계는 신호의 출력 세기가 길이 변화에 민감한 특성을 이용한 고감도 센서 구현에 주로 활용된다.

도 3은 UMZI의 광 분배기를 광 스위치로 전환한 광 지연 스위치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3은 도 2에 도시된 구성과 유사한 구조로서, 광 분배기를 1x2 광 스위치로 교체하면 도 3과 같이 두 경로의 길이 차이만큼 광 신호를 지연시키는 광 지연 스위치(optical delay switch)를 제작할 수 있으며, 길이 차이가 2N 배인 다수의 광 지연 스위치를 연결하면 임의의 광 지연을 구현하는 가변 광 지연(Variable optical delay)을 구현할 수 있다.

광 지연이나 광 간섭계의 온도 의존성을 억제하기 위한 기존 방법으로는 할로우 코어 광 밴드갭 광섬유(hollow core photonic bandgap fiber, HCF or HC-PBF)와 같이 실리카 재질로만 구성된 특수 광섬유 사용하여 -73℃ ~ -69℃의 특별한 온도 범위에서 의 위상 민감도를 갖는 마하-젠더 간섭계가 구현된 사례가 있다. 표준 SMF인 SMF-28 광섬유를 사용한 간섭계에 비해서 약 1/1000 수준의 낮은 민감도를 갖지만, 특별한 저온에서만 동작하며, 일반 광섬유와 접속 시 큰 손실이 발생하고, 고가(SMF-28: $600/km, HCF: $540/m)인 특수 광섬유를 사용해야 하는 등 실용성 측면에서 한계가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광 지연 또는 광 간섭계의 양쪽 경로에 편광 유지 광섬유(PMF)의 두 편광 축을 각각 사용하여 양쪽 경로를 통과하는 빛의 온도 변화에 따른 위상 변화 차이를 상쇄하는 방식으로 온도 의존성을 억제하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계로서, 입력선으로 입력된 편광을 제1 경로 및 제2 경로로 분기하는 입력 광 분기부; 상기 제1 경로 및 제2 경로로 진행된 광을 합하여 출력선으로 출력하는 출력 광 분기부; 상기 제1 경로를 이루며, 서로 수직인 x축과 y축을 가지고, 입력된 x편광 또는 y편광의 편광 상태를 유지하고, 상기 x편광의 굴절률 n_x와 상기 y편광의 굴절률 n_y차이로 인한 복굴절()이 음의 온도계수 ()를 가지는 편광 유지 광섬유(PMF)로 이루어진, 제1 경로부; 및 상기 편광 유지 광섬유로 상기 제2 경로를 이루며, 상기 제1 경로부와 편광축이 수직을 이루도록 배치되어 상기 복굴절의 음의 온도계수에 의해 상기 제1 경로와 상기 제2 경로의 길이 차이()로 인한 온도 의존성을 상쇄하는 보상부를 가지는 제2 경로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 경로부에서 광이 x편광으로 진행하고, 상기 제2 경로부에서 광이 상기 y편광으로 진행하는 상기 보상부의 길이(Ly)는 하식 식(1)로 결정되며,

(1)

상기 식(1)에서 n _x 는 x편광된 빛의 굴절률, 는 굴절률의 온도계수, 은 복굴절, 는 복굴절의 온도계수, α는 광섬유의 선 팽창계수,은 상기 제1 경로부와 상기 제2 경로부의 길이차이이다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 온도 의존성은 온도(T) 변화에 따른 의존성을 표현하는, 단위 길이당 지연 시간 민감도() 또는 단위 길이당 위상 민감도()이고, 상기 제1 경로부 및 상기 제2 경로부 간의 광 시간 차()는 진공 중 광속을 c, 빛의 굴절률을 n이라고 하면, 하기 식(2)로 정의되고,

(2)

단위 길이당 지연 시간 민감도(Thermal delay sensitivity, )는 다음 식(3)과 같이 정의되며,

(3)

광의 파장이 일 때, 상기 제1 경로부 및 상기 제2 경로부를 따라 진행한 광의 위상 차이()는 다음 식(4)로 계산되고,

(4)

상기 식(2)를 온도에 대한 단위 길이당 위상 민감도(thermal phase sensitivity, )로 변환하면 다음 식(5)로 표현된다.

(5)

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 편광 유지 광섬유는, 광이 진행되는 코어;

상기 코어를 감싸는 클래딩부; 및 상기 코어를 중심으로 양측에 배치되어 상기 클래딩부에 매립된 응력부여 유닛들;을 포함하며, 상기 x편광은 상기 응력부여 유닛들의 배치방향과 나란한 x축 편광이고, 상기 y편광은 상기 x축에 수직한 y축 편광일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 경로부는, 상기 입력 광 분기부로부터 연장되며, 상기 제1 경로부와 편광축이 동일하게 배치된 제1 섬유부; 상기 출력 광 분기부에 연결되며, 상기 제1 경로부와 편광축이 동일하게 배치된 제1 섬유부; 및 상기 제1 섬유부에 일단이 융착접속되고 상기 제2 섬유부에 타단이 융착접속되는 상기 보상부로서, 상기 제1 섬유부의 x축과 상기 보상부의 x축이 수직을 이루도록 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 식　(1)에서 복굴절의 온도계수 가 음의 값을 가짐에 따라 분모의 부호가 음수가 되고, 전체 식(1)의 값은 양수가 되며, 상온에서 편광 유지 광섬유(PMF)에 해당하는 값을 대입하여 얻은 Ly를 사용하여 상기 길이차 로 인한 온도 의존성을 상쇄할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 입력 광 분기부 및 상기 출력 광 분기부는 광분배기로서, 상기 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계는 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer, MZI) 또는 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer)이거나, 상기 입력 광 분기부 및 상기 출력 광 분기부는 광스위치로서, 상기 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계는 광지연 스위치이고, 상기 편광 유지 광섬유는 판다 편광 유지 광섬유(PANDA PMF) 또는 보우타이 편광 유지 광섬유일 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 광 지연 또는 광 간섭계의 두 경로에 편광 유지 광섬유(PMF)의 두 편광 축을 각각 사용하여 양쪽 경로를 통과하는 빛의 온도 변화에 따른 위상 변화를 상쇄하는 방식으로 온도 의존성을 억제하는, 광 지연 및 광 간섭계를 제공할 수 있다.

본 발명은 기존 HCF와 같은 특수 광섬유를 이용하여 저온(-73℃~-69℃)의 특별한 온도 구간에서만 구현 가능한 기존 방식에 비해, 특수 광섬유가 아닌 상용 PMF를 사용하므로 광섬유 간 접속 손실이 매우 작다는 장점이 있고, 온도와 무관하게 상온을 포함한 임의의 온도에서 구현 가능하다는 장점이 있으며, 특수 광섬유에 비해 상용 PMF를 사용하므로 비용이 저렴하다는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 판다 편광 유지 광섬유(PANDA PMF)의 단면도이다.
도　2는 광섬유를 이용하여 제작되는 간섭계의 대표적인 형태 중 하나인 광섬유 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)의 한 종류와, 입사된 빛의 파장에 따른 그 투과 특성을 보여주는 도면이다.도 3은 UMZI의 광 분배기를 광 스위치로 전환한 광 지연 스위치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 간섭계를 나타내는 도면이다.
도 5는 PANDA PMF로 구성한 일반 UMZI 에서 온도에 따른 출력광의 광 파워 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 온도 의존성이 억제되도록 편광유지 광섬유를 사용하여 보정된 UMZI에서 온도에 따른 출력광의 광 파워 변화를 보여주는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

광섬유를 진행하는 빛이 경험하는 유효 굴절률과 광섬유의 물리적 길이는 온도에 따라 변하기 때문에, 비대칭 마하-젠더 간섭계(unbalanced Mach-Zehnder Interferometer, UMZI)나 광 지연 스위치(optical delay switch)와 같이 두 경로의 광 경로 차이가 핵심 역할을 하는 광섬유 장치는 일반적으로 온도에 민감하므로 주변 온도를 정밀하게 제어해야 한다. UMZI의 두 경로의 길이 차이를 , 광섬유의 유효 굴절률을 n, 진공 중 광속을 c라고 하면, 두 경로 사이 광 시간 차()는 아래 식(1)로 정의된다.

(1)

온도(T) 변화에 따른 의존성을 표현하는, 단위 길이당 지연 시간 민감도(Thermal delay sensitivity, )는 아래 식(2)와 같이 정의될 수 있다.

(2)

식(2)에 통신 파장에서 사용되는 일반 단일 모드 광섬유(SMF)의 유효 굴절률()과 상온에서 굴절률의 온도계수() 및 광섬유의 선팽창계수()의 근삿값을 대입하고, 지연 시간 민감도를 계산하면, 의 값이 계산된다.

한편, 빛의 파장이 일 때, 두 경로를 따라 진행한 빛의 위상 차이()는 아래 식(3)으로 계산된다.

(3)

식 (1)을 온도에 대한 단위 길이당 위상 민감도(thermal phase sensitivity, )로 변환하면 다음 식(4)로 표현할 수 있다.

(4)

식 (4)에서 과 통신 파장 　=　1550　nm를 대입하면, 의 위상 민감도 값이 계산된다.

이러한 온도에 따른 민감도(온도 의존성)는 광 간섭계 또는 광 스위치의 동작의 신뢰성을 저해하므로, 이에 대한 해결 방법이 필요하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 유지 광섬유 기반 광 지연 및 광 간섭계는 이러한 온도 의존성을 억제 내지 현저히 감소시킨 광 간섭계 또는 광 스위치이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계는 광 지연 또는 광 간섭계의 양쪽 경로에 편광 유지 광섬유(PMF)의 두 편광 축을 각각 이용하여 양쪽 경로를 통과하는 빛의 온도 변화에 따른 위상 변화를 상쇄하는 방식으로 온도 의존성을 억제할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 간섭계를 나타내는 도면이다.

도 4는 편광 유지 광섬유(PMF)를 사용하여 온도 의존성이 억제된 마하-젠더 간섭계의 구성도를 나타낸다. 본 실시예의 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계는 입력선(10)으로 입력된 편광을 제1 경로 및 제2 경로로 분기하는 입력 광 분기부(20), 제1 경로 및 제2 경로로 진행된 편광을 합하여 출력선(60)으로 출력하는 출력 광 분기부(50), 제1 경로부(30) 및 제2 경로부(40)를 포함한다.

제1 경로부(30)는 제1 경로를 이루며 편광 유지 광섬유(PMF)로 이루어질 수 있다. 편광 유지 광섬유는 서로 수직인 x축과 y축을 가지고, 입력된 x편광 또는 y편광의 편광 상태를 유지하고, x편광의 굴절률 n_x와 y편광의 굴절률 n_y차이로 인한 복굴절()이 음의 온도계수 ()를 가진다.

제2 경로부(40)는 편광 유지 광섬유로 제2 경로를 이루며, 제1 경로부(30)와 편광축이 수직을 이루도록 배치되어 복굴절의 음의 온도계수에 의해 제1 경로와 제2 경로의 길이차이()로 인한 온도의존성을 상쇄하는 보상부(42)를 가질 수 있다.

입력 광 분기부(20) 및 출력 광 분기부(50)는 광분배기로서, 본 실시예의 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계는 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer, MZI) 또는 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer)일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또는, 입력 광 분기부(20) 및 출력 광 분기부(50)는 광스위치로서, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계는 광지연 스위치일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 한편, 본 실시예의 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계에서 편광 유지 광섬유는 판다 편광 유지 광섬유(PANDA PMF) 또는 보우타이 편광 유지 광섬유일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 복굴절()이 음의 온도계수를 가지는 소재라면 제한 없이 사용될 수 있다.

도 4를 참조하면, 편광 유지 광섬유는, 광이 진행되는 코어, 코어를 감싸는 클래딩부, 코어를 중심으로 양측에 배치되어 클래딩부에 매립된 응력부여 유닛들을 포함할 수 있다. x편광은 응력부여 유닛들의 배치방향과 나란한 x축 편광이고, y편광은 x축에 수직한 y축 편광일 수 있다.

제2 경로부(40)는, 입력 광 분기부(20)로부터 연장되며 제1 경로부(30)와 편광축이 동일하게 배치된 제1 섬유부(41)와, 출력 광 분기부(50)에 연결되며, 제1 경로부(30)와 편광축이 동일하게 배치된 제2 섬유부(43)와, 보상부(42)를 포함할 수 있다. 보상부(42)는 일단이 제1 섬유부(41)에 융착접속되며, 타단이 제2 섬유부(43)에 융착접속될 수 있다. 제1 섬유부(41)의 x축과 보상부(42)의 x축이 수직을 이루도록 배치될 수 있다. 따라서, 입력선(10)으로 입력된 x편광은 입력 광 분기부(20)에 의해 제1 경로와 제2 경로로 분기되며, 제2 경로로 진행하는 x편광은 제1 섬유까지는 x편광 상태로 진행하고, 보상부(42)에서는 y편광 상태로 진행한 후, 제2 섬유에서 다시 x편광으로 변환되고, 출력 광 분기부(50)에서 제1 경로를 통과하는 광과 간섭된 후 출력선(60)으로 출력될 수 있다.

편광 유지 광섬유(PMF)의 물리적 길이와 유효 굴절률은 일반 단일 모드 광섬유(SMF)와 동일하게 양의 온도 계수를 갖는 반면, 복굴절()은 음의 온도 계수를 갖는다(). 즉, y축 편광으로 진행하는 빛의 유효 굴절률()의 온도에 따른 변화량이 x축 편광으로 진행하는 빛의 유효 굴절률()의 온도에 따른 변화량보다 크다(). 본 실시예의 편광 유지 광섬유 기반 광 지연 및 광 간섭계는 이러한 특성을 통해 상온에서 온도 의존성이 억제된 광 간섭계 또는 광 스위치 등의 소자를 구현할 수 있다.

구체적으로, 광섬유를 진행하는 빛의 위상은 진행하는 경로의 유효 굴절률 n과 진행 거리L의 곱에 비례()한다. PMF로 구성된 UMZI의 두 경로(제1 경로 및 제2 경로) 중 길이가 더 긴 제1 경로는 빛이 x축 편광으로 진행하고 길이가 짧은 제2 경로 중 일부는 y축 편광으로 진행하면, 온도 변화에 의한 길이 변화는 x축 편광으로 진행하는 긴 경로에서 더 크게 겪고, 온도 변화에 의한 굴절률 변화는 y축 방향 편광으로 진행하는 짧은 경로에서 더 크게 겪게 된다. 각 경로의 길이와 길이 차이의 비율을 적당한 비율로 맞춰주면, 두 경로에서 겪는 위상 변화가 동일하도록 보정이 가능하다. 따라서 두 경로를 지난 후 다시 합쳐진 두 빛의 위상 차이()는 온도가 변하더라도 일정하게 유지될 수 있다.

도 4를 참조하면, 판다 편광 유지 광섬유(PANDA PMF)를 사용하여 온도 의존성을 억제하기 위한 UMZI의 구조가 제시되어 있다. 제1 경로는 빛이 x축 편광으로 진행하고, 제2 경로 중 보상부(42)는 빛이 y축 편광으로 진행하는 부분을 나타낸다. 입력선(10)을 통해 x축 편광으로 입사된 빛을 입력 광 분기부(20), 본 실시예에서는 50:50 입력 광 분배기를 통해 두 경로로 나눈 후, 길이가 상대적으로 긴 제1 경로는 x축 편광으로 진행한다. 길이가 짧은 제2 경로는 보상부(42)를 포함하고, 보상부(42)는 제1 섬유 및 제2 섬유에 대해 광섬유를 90°각도로 융착접속하여 빛을 y편광으로 변환시킨 후 진행하도록 한다. 첫 번째 융착접속지점, 즉 제1 섬유와 보상부(42)의 융착접속지점을 지나면서 x축 편광에서 y축 편광으로 변환되고, 두 번째 융착접속지점, 즉 보상부(42)와 제2 섬유의 융착접속지점을 지나면서 y축 편광이 x축 편광으로 되돌아오게 되며, 각 경로를 진행한 빛은 다시 출력 광 분기부(50), 본 실시예에서는 50:50 출력 광 분배기를 통해 합쳐진 후 간섭되어 출력선(60)을 통해 출력될 수 있다. 편광이 변환되어 진행해야 하는 보상부(42)의 길이는 사용되는 PMF가 가진 복굴절의 온도 의존성에 따라 결정되는 값이다.

초기에 입력선(10)을 통해 y편광으로 입사된 경우에도 경로가 상대적으로 긴 제1 경로부(30)는 x편광으로 진행되고, 제2 경로부(40)의 보상부(42)에서는 y편광으로 진행될 수 있어서, x편광으로 입사된 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, PANDA PMF 뿐 아니라, Bow-Tie PMF 등 복굴절의 온도 계수가 음수인 다른 형태의 PMF에도 동일한 원리를 적용할 수 있다. 이와 같이 광섬유 간섭계의 한 방향 경로 중 일정 부분을 수직한 편광으로 대체하여 온도 의존성을 상쇄하는 원리는 MZI 뿐 아니라, 광섬유 경로의 길이 차이를 이용하는 다른 형태의 광섬유 간섭계인 마이컬슨 간섭계(Michelson Interferometer)에도 적용할 수 있다.

구체적으로, 온도 보상을 위해 편광이 변환되어 진행해야 하는 부분의 길이를 계산하는 방법은 다음과 같다. 온도 보상이 적용된 UMZI의 구성을 보여주는 도 4의 입력 광 분배기 및 출력 광 분배기 사이에서, 빛이 x축 편광으로 진행하는 상대적으로 긴 제1 경로의 길이를 Lx, 제2 경로 중 y축 편광으로 진행하는 보상부(42)의 길이를 Ly라 하자. 두 경로의 길이 차이를 (=　Lx　-　Ly)라 하면, 파장이 인 빛이 두 경로를 각각 진행한 후 발생하는 빛의 위상 차이()는 복굴절 을 이용하여 아래 식 (5)으로 표현된다.

(5)

식 (5)의 우측 항에서 괄호로 묶인 부분의 온도 의존성이 의 온도 의존성을 결정하며, 이는 다음 식(6)과 같이 정리된다.

(6)

식 (6)에서 는 굴절률의 온도계수, 는 복굴절의 온도계수, α는 광섬유의 선 팽창계수이다. 온도 의존성을 억제하기 위해 Ly 편광으로 진행해야 하는 길이는 아래 식(7)과 같이 에 비례하는 값으로 구할 수 있다.

(7)

위의 식　(7)에서 는 복굴절의 온도계수가 음수로서 상용 PMF인 경우 분모의 부호가 음수가 되며, 전체 값은 양수로 계산된다. 상온에서 일반 PMF에 대해 알려져 있는 근사값, 즉 , , , , 들을 대입하면, 식　(7)에서 가 되어 대비 약 21배 길이에 해당하는 Ly를 사용하면 온도 의존성을 억제할 수 있음을 알 수 있다. 위의 식 (7)에서 은 PMF마다 다소간 차이가 있으며, 실험예에서는 대비 27배 길이에 해당하는 Ly를 사용하여 길이차 로 인한 온도 의존성이 현저히 감소 내지 제거되는 것을 확인하였다. PMF의 종류에 따라 Ly의 최적 길이는 다르며, 사용된 PMF에 해당하는 값을 대입하여 얻은 Ly를 사용하는 것이 바람직하다.

도 5는 PANDA PMF로 구성한 일반 UMZI 에서 온도에 따른 출력광의 광 파워 변화를 보여주는 그래프이다. 도 6은 온도 의존성이 억제되도록 두 경로의 길이가 보정된 UMZI에서 온도에 따른 출력광의 광 파워 변화를 보여주는 그래프이다.

도 5는 PANDA PMF로 두 경로의 길이 차이가 20　cm가 되도록 구성한 UMZI에서 파장이 1550nm인 광원을 사용하여 측정된 온도에 따른 출력 광 파워의 변화로서 보정되지 않은 일반적인 UMZI의 측정 결과를 보여준다. 도 6은 PANDA PMF로 두 경로의 길이 차이가 20　cm가 되도록 구성한 UMZI에서 파장이 1550nm인 광원을 사용하여 측정된 온도에 따른 출력 광 파워의 변화로서 로 보정되어 온도 의존성이 억제된 UMZI의 측정 결과를 보여준다.

파장이 1550nm인 광원을 사용했으며, 도 5 및 도 6의 각 UMZI 모두 　=　20　cm로 동일하게 구성되었다. 도 5는 제1 경로 및 제2 경로 모두 x축 편광으로 진행하는 일반 UMZI의 측정 결과이다. 의 구간에서 환산된 지연 시간 민감도와 위상의 온도 민감도는 각각 와 로서 일반 SMF를 기반으로 예상했던 값과 유사하다. 대략 5도의 온도 간격에 10개의 변동 주기가 나타나므로 매우 온도에 민감하며 온도의존성이 큰 것을 알 수 있다.

반면, 도 6을 참조하면, 로 보정되어 인 온도 의존성이 억제된 본 실시예의 UMZI의 측정 결과로서, 의 온도 구간에서 환산된 지연 시간 민감도와 위상의 온도 민감도는 각각 와 이내이다. 따라서, 본 실시예에 따른 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계에 의하면, 일반적인 UMZI에 비해 상온에서 온도에 대한 민감도가 약 1/43.5만큼 낮은 UMZI가 구현되는 것을 확인하였다. 도 6에서 41도보다 높은 온도에서 대략 5도 온도 간격에 하나의 파가 나타나서 도 5의 경우보다 민감도 내지 온도 의존성이 크게 감소하였고, 특히 31도 내지 36도 범위에서는 거의 광출력이 일정하여서 온도 의존성의 상쇄 내지 제거가 매우 효과적으로 이루어 졌음을 알 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 입력선
20: 입력 광 분기부
30: 제1 경로부
40: 제2 경로부
41: 제1 섬유부
42: 보상부
43: 제2 섬유부
50: 출력 광 분기부
60: 출력선

Claims (7)

1. 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계에 있어서,
   입력선으로 입력된 편광을 제1 경로 및 제2 경로로 분기하는 입력 광 분기부;
   상기 제1 경로 및 제2 경로로 진행된 광을 합하여 출력선으로 출력하는 출력 광 분기부;
   상기 제1 경로를 이루며, 서로 수직인 편광축으로서 x축과 y축을 가지고, 입력된 x편광 또는 y편광의 편광 상태를 유지하고, 상기 x편광의 굴절률 n_x와 상기 y편광의 굴절률 n_y차이로 인한 복굴절()이 음의 온도계수() 를 가지는 편광 유지 광섬유(PMF)로 이루어진, 제1 경로부; 및
   상기 편광 유지 광섬유로 상기 제2 경로를 이루며, 상기 제1 경로부와 편광축이 수직을 이루도록 배치되어 상기 복굴절의 음의 온도계수에 의해 상기 제1 경로와 상기 제2 경로의 길이차이()로 인한 온도의존성을 상쇄하는 보상부를 가지는 제2 경로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 경로부에서 광이 x편광으로 진행하고,
   상기 제2 경로부에서 광이 y편광으로 진행하는 상기 보상부의 길이(L_y)는 하식 식(1)로 결정되며,
   (1)
   상기 식(1)에서 n_x는 광섬유의 x편광 굴절률, 는 굴절률의 온도계수, 은 복굴절, 는 복굴절의 온도계수, α는 광섬유의 선 팽창계수, 은 상기 제1 경로부와 상기 제2 경로부의 길이차이인 것을 특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 온도 의존성은 온도(T) 변화에 따른 의존성을 표현하는, 단위 길이당 지연 시간 민감도() 또는 단위 길이당 위상 민감도()이고,
   상기 제1 경로부 및 상기 제2 경로부 간의 광 시간 차()는 진공 중 광속을 c라고 하면, 하기 식(2)로 정의되고,
   (2)
   단위 길이당 지연 시간 민감도(Thermal delay sensitivity, )는 다음 식(3)과 같이 정의되며,
   (3)
   광의 파장이 일 때, 상기 제1 경로부 및 상기 제2 경로부를 따라 진행한 광의 위상 차이()는 다음 식(4)로 계산되고,
   (4)
   상기 식(3)을 온도에 대한 단위 길이당 위상 민감도(thermal phase sensitivity, )로 변환하면 다음 식(5)로 표현되는 것을,
   (5)
   특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용한 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 편광 유지 광섬유는,
   광이 진행되는 코어;
   상기 코어를 감싸는 클래딩부; 및
   상기 코어를 중심으로 양측에 배치되어 상기 클래딩부에 매립된 응력부여 유닛들;을 포함하며,
   상기 x편광은 상기 응력부여 유닛들의 배치방향과 나란한 x축 편광이고,
   상기 y편광은 상기 x축에 수직한 y축 편광인 것을 특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2 경로부는,
   상기 입력 광 분기부로부터 연장되며, 상기 제1 경로부와 편광축이 동일하게 배치된 제1 섬유부;
   상기 출력 광 분기부에 연결되며, 상기 제1 경로부와 편광축이 동일하게 배치된 제1 섬유부; 및
   상기 제1 섬유부에 일단이 융착접속되고 상기 제2 섬유부에 타단이 융착접속되는 상기 보상부로서, 상기 제1 섬유부의 x축과 상기 보상부의 x축이 수직을 이루도록 배치되는 상기 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계.
   
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 식　(1)에서 복굴절의 온도계수 가 음의 값을 가짐에 따라 분모의 부호가 음수가 되고, 전체 식(1)의 값은 양수가 되며, 상온에서 편광 유지 광섬유(PMF)에 해당하는 값을 대입하여 얻은 Ly를 사용하여 상기 길이차 로 인한 온도 의존성을 상쇄하는 것을 특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계.
   
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 입력 광 분기부 및 상기 출력 광 분기부는 광분배기로서, 상기 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계는 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer, MZI) 또는 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer)이거나,
   상기 입력 광 분기부 및 상기 출력 광 분기부는 광스위치로서, 상기 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계는 광 지연 스위치이고,
   상기 편광 유지 광섬유는 판다 편광 유지 광섬유(PANDA PMF) 또는 보우타이 편광 유지 광섬유인 것을 특징으로 하는, 편광 유지 광섬유를 이용하여 온도 의존성이 억제된 광 지연 및 광 간섭계.