KR900007557B1 - 분자 결합식 광섬유 결합기 및 그 제조방법 - Google Patents

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제이. 풀링 존
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리튼 시스템즈, 인크.
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Abstract

내용 없음.

Description

분자 결합식 광섬유 결합기 및 그 제조방법
제1도는 본 발명에 따라 형성된 광섬유 에버네슨트 필드 결합기의 단면도.
제2도는 제1도의 선 2-2를 따라 절취하여 도시한 광섬유 에버네슨트 필드 결합기의 단면도.
제3도는 제1도 및 제2도의 광섬유 에버네슨트 필드 결합기내에 포함된 광섬유의 일부분상의 타원형 표면을 도시한 평면도.
제4도는 본 발명에 따라 형성된 차단 코어 결합기의 단면도.
제5도는 제4도의 선 5-5를 따라 절취하여 도시한 단면도.
제6도는 제4도 및 제5도의 광섬유 차단 코어 결합기내에 포함된 광섬유의 일부분상의 코어 및 피복물 평면을 도시한 평면도.
제7도는 제1도 내지 제3도에 도시한 바와같이 에버네슨트 필드 광섬유 결합기 또는 제4도 내지 제6도에 도시한 바와같은 차단 지역 결합기를 형성하기 위해 2개의 섬유들을 결합시키기 위한 시스템을 도시한 평면도.
제8도는 지그(jig)와의 한쌍의 광섬유의 정렬상태 및 광섬유 결합기를 형성하기 위해 광섬유들을 서로 결합시키기 위한 에너지의 인가상태를 도시한 단면도.
제9도는 제8도의 장치의 평면도.
제10도는 광섬유 결합기를 형성할때 사용될 광섬유상의 광학적 평면의 형성 방법을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 애버네슨트 필드 22, 24, 50, 52 : 광섬유
26, 30 : 코어 28,32 : 피복물
42 : 상호작용 영역 48 : 차단코어 광섬유 결합기
62, 66 : 코어부 64, 68 : 피복물부
70, 82 : 기질 73, 84, 86 : 보유기
77 : 모터 79 : 랩핑 표면
81, 90, 98 : 레이저 83, 94, 96 : 광 검출기.
본 발명은 주로 광섬유들을 서로 결합시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 말하자면, 본 발명은 광섬유 결합기를 형성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 2개의 광섬유들사이에 간섭성 분자 결합을 형성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
광섬유내의 광선의 전달 특성을 어느정도 알면 본 발명과 종래 기술을 이해하기가 용이하다. 그러므로, 광섬유 도파관, 이러한 도파관내의 광선의 정상 전달 모우드 및 광선의 편광에 대해서 간단히 설명하겠다.
2가지 유전 물질들 사이의 공유 영역에서의 광파의 특성은 2가지 물질의 굴절률 에 따라 변한다. 2가지 유전체의 굴절률이 동일하면, 파는 변화하지 않고 공유영역을 가로질러 전달된다. 그러나, 굴절률이 상이한 일반적인 경우에, 파는 처음 전달된 매체내에서 반사파 및 입사파의 방향으로 변하여 유전 공유 영역을 지나 제2물질내로 전달되어 굴절된다. 반사파 및 굴절파의 상대 세기는 입사각 및 2가지 물질의 굴절률들 사이의 차에 따라 변한다. 고굴절률 물질내에서 최초로 전달되는 광파가 임계각 이상인 임사각으로 공유 영역에 충돌하면, 어떠한 굴절파도 공유 영역을 가로질러 전달되지 않게 되고, 반드시 모든 파들은 고굴절률 영역내로 다시 전내부 방사하게 된다. 입사파에 관련하여 지수적으로 감쇄하는 에버네슨트 필드(evansecent field)는 공유 영역읕 지나 단거리로 연장된다.
광섬유는 고굴절률의 일반적인 기다란 원통형 코어 및 이 코어를 둘러싸는 저굴절률의 피복물을 갖는다. 광섬유는 광파에 관련된 에너지를 코어에 제한시키도록 전 내부 반사 원리를 사용한다. 코어의 직경은 코어내에서 전달되는 광선 비임이 임계각보다 큰 각도에서만 코어에 충돌할 만큼 작다. 그러므로, 광선 비임은 코어-피복물 공유 영역상의 점들 사이에서 이동할때 코어내의 지그재그 경로를 따라 이동한다.
광파가 이 광파의 주파수와 동일한 주파수를 갖고 있는 직교 전계 및 자계 벡터로 구성되는 시변 전자계에 의해 표현될 수 있다는 것은 공지되어 있다. 유도 구조물을 통해 전달되는 전자파는 한 셋트의 정상 모우드에 의해 기술될 수 있다. 정상 모우드들은 유도 구조물, 예를들어 광섬유 도파관내의 전계 및 자계의 허용가능한 분포이다. 이 전자계 분포는 구조물내의 에너지의 분포에 직접 관련된다. 일반적으로, 정상 모우드들은 유도 구조물내의 주파수 및 공간분포에 의해 파내의 전자계 성분을 나타내는 수학적 함수에 의해 표현된다. 도파관의 정상 모우드를 나타내는 특수 함수는 도파관의 기하학적 형태에 따라 변한다. 유도파가 고정된 크기의 원형 단면을 갖고 있는 구조물에 제한되는 광섬유의 경우에, 소정의 주파수 및 공간 분포를 갖고 있는 전자계만이 심하게 감쇠되지 않고 전달된다. 감쇠되지 않고 전달되는 전자계 성분을 갖고 있는 파들은 정상 모우드이다 만일 모우드 광섬유는 한 에너지 분포만을 유도하게 되고, 다중 모우드 광섬유는 동시에 다수의 에너지 분포를 유도하게 된다. 광섬유가 유도하게 되는 모우드 수를 결정하는 일차 특성은 광섬유에 의해 전달된 광선의 파장에 대한 광섬유 코어의 직경의 비이다.
정상 모우드를 기술할 때, 파의 전달 방향에 관련된 전자계의 방향을 참조하는 것 편리하다. 전계 벡터만이 통상적으로 광축이라고 하는 전달 방향에 수직하면, 파는 횡전계(TE)모우드라고 불리워진다. 자계 벡터만이 광축에 수직하면, 파는 횡자계(TM)모우드이다. 전계 벡터와 자계백터카 모두 광축에 수직하면, 파는 횡 전자계(TEM)모우드이다. 정상 모우드들은 전자계 성분의 명확한 방향을 전혀 필요로 하지 않고, 예를들어, TE모우드내에서 전계는 광축에 수직한 소정의 방향으로 될 수 있다. 전자파내의 전계 벡터의 방향은 파의 편광 방향이다. 일반적으로, 파는 각각의 모우드에 대해 허용 가능한 모든 방향으로 지시되는 전계벡터가 균일하게 분포되어 있는 불규칙 편광을 갗게 된다. 파내의 모든 전체 벡터가 한 특정한 방향으로만 지시되면, 파는 선형으로 편광된다. 전계는 크기가 동일하고 45°이상(out of phase)인 2개의 직교 전계 성분으로 구성되면, 전계는 정미(net)전계가 파의 주파수와 동일한 각 속도로 광축 주위를 회전하는 벡터이기 때문에 원형으로 편광된다. 2개의 선형 편광들이 상이한 크기 및 동일하지 않고 반대도 아닌 위상을 갖고 있으면, 파는 타원형 편광을 갖는다. 일반적으로, 소정의 임의 편광은 2개의 직교 선형 편광, 2개의 반대방향인 원형 편광, 또는 직교 반-주축(semi-major axex)을 갖고 있는 2개의 반대 방향인 타원형 편광의 합으로 표현될 수 있다.
예를 들어, 광파의 속도와 같은 전달 특성은 파의 편광 및 광선이 전달되는 매체의 굴절률에 따라 변한다. 광섬유를 포함하는 소정의 물질은 상이한 편광의 경우에 상이한 굴절률을 갖는다. 2개의 굴절률을 갖는 물질을 복굴절성 물질이라고 불리워진다.
광 신호의 편광은 때때로 모우드라고 불리워진다. 표준 단일 모우드 광섬유는 2개의 상이한 편광을 갖는 동일한 주파수 및 공간 분포의 2개의 파를 전달하게 된다. 다중 모우드 광섬유는 각각의 전달 모우드에 대한 2개의 편광을 전달하게 된다. 동일한 정상 모우드의 2개의 상이한 편광 성분들은 2개의 편광의 속도의 차를 제외하고는 변화되지 않은 복굴정성 물질을 통해 전달될 수 있다. 편광은 동일한 편광을 갖고 있는 파들만이 바람직한 간섭 패턴을 발생시키게 되기 때문에 간섭계식 감지기내에서 특히 중요하다.
광 결합기는 광 에너지를 한 광 섬유로부터 다른 광섬유로 전송하기 위해 2개의 광 섬유를 결합시킨다. 광 결합기는 광섬유 간섭계, 공진기, 감지기 어레이 및 데이터 버스를 구성하는 것을 포함하는 광섬유의 다수의 응용시에 사용된다.
광 결합기를 형성할때 고려되는 파라메터들은 결합 전후의 파들의 편광, 한 광섬유로부터 다른 광섬유로 결합될 에너지의 분율, 결합기의 삽입 손실, 및 광섬유들이 단일 모우드를 유도하는지 또는 다수의 모우드를 유도하는지의 여부등이다.
한 광섬유로부터 다른 광섬유로 광 에너지를 전송하기 위해 결합기를 형성하도록 2개의 광섬유를 결합시키기 위한 몇가지 방법이 사용되어왔다. 2개의 광섬유를 결합시키기 위한 제1기술은 쌍원추형 테이퍼식 광섬유 결합기를 발생시킨다. 광섬유들은 함께 배치되고 꼬여져 광섬유를 신장시키기 위해 힘을 인가시키는 동안에 광섬유들은 용융시키도록 용융점 근처까지 가열된다. 쌍원추형 테이퍼식 광섬유 결합기 형성시의 가열 및 꼬는 수단은 결합된 광섬유를 구성하는 물질의 분자 배열을 변경시킨다. 특히, 가열 및 꼬는 수단은 코어 굴절률을 제어하기 위해 도퍼트(dopant)로서 사용된 불순물의 분포를 변경시킨다.
물질의 굴절률은 물질의 분자 구조에 따라 변하므로, 쌍원추형 데이퍼식 광섬유 결합기를 형성하는 것은 일반적으로 광섬유의 굴절률의 국부화된 변화를 발생시킨다. 이 굴절률의 변화는 제어불가능하고 광섬유들 사이의 공유 영역에서 바람직하지 못하고 제어 불가능한 반사 및 굴절을 야기시킨다. 그러므로, 특수 응용용으로 선정된 결합 효율을 갖고 있는 쌍원추형 테이퍼식 광섬유 결합기를 제조하기가 어렵다.
2개의 광섬유를 결합시키기 위한 다른 기술은 광섬유들의 전송들을 향상시키는 굴절률 정합 오일 또는 그외의 다른 물질과 나란히 표면들을 기계적으로 고정시킴으로써 광섬유들을 결합시킨다.
광섬유 결합기를 형성하는 이 방법 및 그외의 다른 종래의 방법은 바람직하지 못하게 광신호 세기가 크게 손실된다는 바람직하지 못하게 광신호 세기가 크게 손실된다는 단점을 갖는다. 일반적으로, 이 종래의 제조기술은 소정의 특정한 결합기에 의해 전송된 광선의 양을 용이하게 제어하지 못하고, 또한 한 광섬유로부터 다른 광섬유로 결합하게 되는 광선의 양을 제어하지 못한다. 이러한 문제점들은 광섬유를 결합시키기 위한 종래의 제조 공정 중에 공유 영역에서 발생하는 고유 분자간 뷸균질성 및 불연속성에 의해 야기된다. 또한, 종래의 제조기술은 통신, 데이타 프로세싱 및 감지기 응용에 필요ㅎㄴ 다수의 광 결합기를 발생시키지 못한다.
광섬유 결합기의 다수의 응용은 결합기내의 매우 낮은 신호 손실을 필요로 하고, 또한 정밀하게 선택된 광선 전송률 및 결합 특성을 갖고 있는 결합기를 필요로 한다. 다수의 이러한 결합기들은 광섬유의 실제 응용에 필요하게 된다.
본 발명은 이전의 기술에 따라 제조된 형성하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명내에서, 유리의 분자 구조가 결합 표면 양단에서 간섭적으로 균일하게됨으로써 결합 접합부 양단의 광선 전송률의 물리적 특성을 보존하고 신호 세기의 불필요한 손실을 제거하도록 정밀한 방식으로 분자 레벨에서 한쌍의 광섬유가 결합된다.
본 발명은 광섬유들 사이에 결합된 광선의 양을 정확히 제어하고, 정확히 선택된 결합 및 전송 특성을 갖고 있는 광 결합기의 대량 생산에 적합하다.
본 발명은 피복물에 의해 둘러싸여진 중심 코어를 각각 갖고 있고 (코어 및 피복물은 특성 굴절률을 갖고 있다), 최소한 피복물의 일부분을 제거함으로써 제1광섬유 상에 형성된 제1평면 및 최소한 피복물의 일부분을 제거함으로써 제2광섬유 상에 형성된 제2평면(제1 및 제2평면은 광선이 광섬유들 사이에서 전달될 상호작용 영역을 형성하기 위해 나란히 놓여진다)을 포함하는 한 쌍의 광섬유사이에 광파를 결합시키기 위한 광섬유를 결합기를 제공한다. 간섭성 분자 결합은 결합 표면 양단에서의 코어 및 피복물 굴절률을 변화시키지 않고서 제1과 제2평면 사이에서 형성된다.
본 발명의 한 실시예내에서, 평면들은 광섬유들 중 제1광섬유와 다른 광섬유에 의해 유도된 광파들사이의 상호작용 영역에서의 에버네슨트 필드 결합이 광섬유들사이에 에너지를 결합시키도록 만곡 광섬유로부터 피복물의 일부분을 제거함으로써 형성된다.
본 발명의 다른 실시예내에서, 평면들은 광섬유 코어를 나란히 놓음으로써 차단 코어 결합기가 형성되도록 만곡 광섬유로부터 피복물의 일부분 및 코어의 일부분을 제거함으로써 형성된다.
본 발명은 피복물에 의해 둘러싸여진 중심 코어를 각각 갖고 있는 한쌍의 광섬유들사이에 광파를 결합시키기 위한 광섬유 결합기를 포함하는데, 코어 및 피복물은 특성 굴절률을 갖고 있다. 본 발명에 따른 결합기는 최소한 피복물의 일부분을 제거함으로써 제1광섬유 상에 형성된 제1평면을 형성하고 최소한 피복물의 일부분을 제거함으로써 제2광섬유 상에 형성된 제2평면을 형성하는 수단, 및 국부코어 및 피복물 굴절률을 변경시키지 않고서 제1과 제2평면사이에 형성된 간섭성 분자 분자간 결합부를 형성하는 수단을 포함하는 처리 공정에 의해 형성되는데, 제1 및 제2평면은 광선이 광섬유들 사이에서 전달되는 상호작용 영역을 형성하기 위해 나란히 놓여진다.
결합기를 형성하기 위해 광섬유를 결합시키는 간섭성 분자 결합부는 선정된 결합 효율을 제공하도록 서로에 관련하여 평면을 정렬시키는 수단, 및 평면들을 서로 결합시켜 균질하고 간섭성인 분자간 결합 구조를 형성하도록 평면에 제어된 양의 에너지를 인가시키는 수단을 포함하는 처리 공정에 의해 형성될 수 있다.
피복물에 의해 둘러싸여진 중심 코어를 각각 갖고 있는(코어 및 피복물은 특성 굴절률을 갖고 있다). 한쌍의 광섬유사이에 광파를 결합시키기 위한 광섬유 결합기를 형성하기 위한 본 발명의 방법은 최소한 피복물의 일부분을 제거함으로써 제1광섬유 상에 제1평면을 형성하는 수단, 최소한 피복물의 일부분을 제거함으로써 제2광섬유 상에 제2평면을 형성하는 수단, 및 결합 표면 양단에서 분자간 비균질성 및 불연속성을 야기시킴으로써 국부 코어 및 피복물 굴절률을 변경시키지 않고서 제1과 제2평면 사이에 간섭성 분자 결합부를 형성하는 수단을 포함하고, 제1 및 제2평면은 광선이 광섬유들 사이에서 전달되는 상호작용 영역을형성하기 위해 나란히 놓여진다.
간섭성 분자 결합부를 형성하는 수단은 선정된 결합 효율을 제공하기 위해 서로에 관련하여 평면들을 정렬시키는 수단, 및 평면들을 서로 결합시킴으로써 균질하고 간섭성인 분자간 결합 구조를 형성하도록 평면에 제어된 양의 에너지를 인가시키는 수단을 포함할 수 있다.
평면에 에너지를 인가시키는 수단은 간섭성 광선의 비임을 평면상에 접속시키는 수단을 포함할 수 있다. 간섭성 분자 결합부를 형성하는 수단은 광섬유를 광섬유의 용융 온도이하의 전이 온도까지 가열시키는 수단을 포함할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 기술하겠다.
에버네슨트 필드 결합기
제1도에 도시한 바와같이, 본 발명의 방법에 따라 형성된 결합기(20)은 서로 장착된 한쌍의 광섬유(22 및 24)를 포함한다. 광섬유(22)는 코어(26) 및 피복물(28)을 갖고, 광섬유(24)는 코어(30) 및 피복물(32)를 갖는다. 다음에 기술하는 바와같이, 타원형 광학적 평면(34)는 광섬유(22)의 피복물(28)내에 형성된다. 이와 유사하게, 타원형 광학적 평면(36)은 광섬유(24)의 피복물(32)내에 형성된다.
타원형 표면(34 및 36)은 각각의 광섬유(22 및 24)에 의해 전달된 광선의 에버네슨트 필드가 다른 광섬유와 상호작용하는 상호작용 영역(42)를 위해 접촉관계로 나란히 놓여진다. 나란히 놓여진 표면(34 및 36)양단에서 교차하거나 상호작용하는 광선의 질 및 양은 불연속성, 불균질성, 및 결합 방식 및 표면(34 및 36)사이에서 발생된 결합 형태에 의해 상호작용 영역내에서 야기된 다른 국부적인 결합의 영향을 받는다. 본발명의 구성 요소는 광섬유(22 및 24)의 결합 표면(34 및 36)양단 및 주위에서 분자적으로 간섭성이고 균질하며 연속적인 결합 표면을 포함하는 결합기 및 그 제조방법이다. 따라서, 굴절률내의 국부 불규칙성은 제거되는데, 결합 영역의 최종 상호작용 영역(42)는 분자적으로 일치하는 물질의 경우에 예상된 바와같이 전체에 걸쳐 양호하게 작용된 굴절률을 갖고 있다.
제거된 광섬유 물질의 양은 타원형 평면(34 및 36)의 연부에서의 0으로부터 중심에서의 최대량으로 점차적으로 증가한다. 광섬유 물질의 테이퍼식 제거는 광섬유(22 및 24)를 점차적으로 수렴 및 발산시키는데, 이것은 상호작용 영역(42)에서의 광선 에너지의 후방 반사 및 과대 손실을 제거하는데 유리하다. 광섬유(22 및 24)의 완만한 곡선을 모우드 섭동으로 인한 전력 손실을 제거하기 위해 광섬유(22 및 24)의 방향이 예리하게 만곡되거나 갑작스럽게 변하는 것을 방지한다.
광선을 상호작용 영역(42)에서의 에버네슨트 필드에 의해 광섬유(22 및 24)사이로 전송된다. 코어(26)은 피복물(28)의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖고, 코어(26)의 직경은 코어(26)내에서 전달되는 광선이 코어-피복물 공유 영역에서 내부 반사될 정도이다. 광섬유(22)에 의해 유도된 대부분의 광 에너지는 코어(26)에 제한된다. 그러나, 광섬유(22)에 대한 파동 방정식을 풀고 공지된 경계 조건을 적용하는 것은 에너지 분포가 코어(26)내에서라도, 피복물내로 연장되고 광섬유의 중심으로부터 반경이 증가할 때 지수적으로 감쇠하는 일부분을 포함한다는 것을 나타낸다.
일반적으로, 광섬유(22)내의 에너지 분포의 지수적 감쇠 부분을 에버네슨트 필드라 부른다. 광섬유(22)에 의해 최초로 전달된 광 에너지의 에버네슨트 필드가 광섬유(24)내로 충분한 거리로 연장되면, 에너지는 광섬유(22)로부터 광섬유(24)내로 결합하게 된다.
적합한 에버네슨트 필드 결합을 보장하기 위해, 광섬유(22 및 24)로부터 제거된 물질의 양은 광섬유(22 및 24)의 코어들 사이의 간격이 선정된 임계 영역내에 있도록 신중히 제어되어야 한다. 에버네슨트 필드는 피복물내로 짧은 거리로 연장되고 광섬유 코어 외부에서 거리의 크기는 신속히 감소한다. 그러므로, 2개의 광섬유(22 및 24)에 의해 전달된 파의 에버네슨트 필드들을 중첩시키기에 충분한 광섬유 물질이 제거되어야한다. 너무 많은 물질이 제거되면, 코어는 애버네슨트 필드가 유도된 파들의 바람직한 상호작용을 야기시키기에 충분히 가깝게 되지 못하므로, 불충분한 결합이 발생하게 된다.
반대로, 너무 적은 물질이 제거되면, 광섬유의 전달 특성이 변경되어, 모우드 섭동으로 인한 광섬유로부터의 광 에너지의 손실을 발생시키게 된다. 그러나, 광섬유(22 및 24)의 코어들 사이의 간격이 임계 영역내에 있으면, 각각의 광섬유(22 및 24)는 에너지 손실이 거의 없이 양호한 결합을 달성하기 위해 다른 광섬유로부터 에버네슨트 필드 에너지의 상당한 부분을 수신한다. 임계 영역은 광섬유(22 및 24)의 에버네슨트 필드결합을 제공하기에 충분히 중첩하는 영역을 포함하는데, 각각의 코어는 다른 코어에 의해 유도된 광선의 미소 지역내에 있다. 단일 모우드광섬유에 의해 유도된 HE11모우드와 같은 약하게 유도된 모우드의 경우에, 광섬유 코어가 노출될때 모우드 섭동이 발생한다. 그러므로, 임계 영역은 상당한 모우드 섭동 유도 전력 손실을 야기시키지 않고서 결합하기에 충분히 에버네슨트 필드를 중첩시키는 코어 간격이다.
특정한 결합기에 대한 임계 영역의 크기는 광섬유의 물리적 파라메터 및 결합기의 기하학적 형태와 같은 다수의 요인들에 따라 변한다. 또한, 임계 영역은 결합된 광섬유들 사이에 형성된 결합의 형태의 영향을 받는다. 임계 영역은 스텝 인덱스 형태를 갖고 있는 단일 모우드 광섬유의 경우에 매우 좁아질 수 있다. 광섬유(22 및 24)의 중심-대-중심 간격은 전형적으로 2개 내지 3개의 코어 직경 이하이다.
양호하게도, 광섬유(22 및 24)는 거의 동일한 코어 및 피복물 직경, 상호 작용 영역(42)에서의 동일한 곡선 반경, 및 상호 작용 영역(42)를 형성하도록 광섬유로부터 제거된 광섬유 물질의 동일한 양을 갖는다. 광섬유(22 및 24)는 표면(34 및 36)의 면내에서 상호작용 영역(42)를 통해 대칭이므로, 광섬유(22 및 24)의 접촉면 타원형 표면들은 이 표면들이 중첩될 때 같은 공간에 걸쳐 있다. 그러므로, 2개의 광섬유(22 및 24)는 상호작용 영역에서 동일한 전달 특성을 가지므로, 상이한 전달 특성에 관련되는 결합률의 감소를 제거한다. 각각의 광섬유(22 및 24)는 파장, 공유 영역에서의 반사율 및 광섬유내에서 전달되는 파의 감쇠물과 같은 파라메터들을 결정하는 전달 상수를 갖는다. 에너지가 상이한 전달 상수를 갖고 있는 매체들사이에 보다 더욱 용이하게 거의 동일한 전달 상수를 갖고 있는 매체들 사이에 결합한다는 것은 공지되어 있다. 그러므로, 결합기(20)을 형성할때, 상호작용 영역(42)에서의 전달 상수의 변화를 최소화시키는 것이 바람직하다.
제1도 및 제4도의 결합기(20)은 4개의 포오트(20A,20B,20C 및 20D)를 포함한다. 결합기(20)의 좌측 및 우측에 각각 있는 포오트(20A 및 20B)는 광섬유(22)에 대응한다. 결합기(20)의 좌측 및 우측에 각각있는 포오트(20C 및 20D)는 광섬유(24)에 대응한다. 설명하기 위해서, 광신호 입력이 광섬유(22)를 통해 포오트(20A)에 인가된다고 가정한다. 이 신호는 결합기(20)를 통과하고 광섬유(22 및 24)사이의 결합량에 따라 포오트(20B 또는 20C)들 중 1개의 포오트 또는 모든 포오트에서 출력한다. "결합 상수"는 총 출력 전력에 대한 결합 전력의 비로서 정의된다.
상기 예에서, 결합 상수는 포오트(20B 및 20D)에서 출력된 전력의 합으로 나누어진 포오트(20D)에서 출력된 젼력의 비이다. 이 비를 때때로 "결합 효율"이라고 부르는데, 이것은 전형적으로 %로서 표현된다. 그러므로, "결합 상수"란 용어가 본 명세서에 사용되면, 이에 대응하는 결합효율은 결합 상수의 100배와 동일하다는 것을 알아야 한다.
결합기(20)은 광섬유(22 및 24)에 의해 유도된 파의 에버네슨트 필드의 중첩 영역의 크기를 제어하기 위해 대향 표면(34 및 36)을 오프셋(offset)시킴으로써 결합 상수를 0과 1.0사이의 소정의 바람직한 값으로 조정하기 위해 조종될 수 있다. 이 조종은 결합기(20)의 조립중에 서로에 관련하여 측방향 또는 종방향으로 기질(34 및 36)을 슬라이딩시킴으로써 달성될 수 있다.
결합기(20)은 고도의 방향성이므로, 한측에 인가된 거의 모든 전력은 다른 측상의 포오트에서 출력된다. 어느 한 포오트(20A 또는 20C)에 입력으로서 인가된 거의 모든 광선은 약간의 역 방향성 결합없이 포오트(20B 또는 20D)로 전달된다. 방향성 특성은 대칭성이므로, 어느 한 포오트(20B 또는 20D)에 인가된 광선은 포오트(20A 및 20C)로 전달된다. 결합기(20)은 편광에 관련하여 필수적으로 비-식별성이고, 이 결합기에 입력된 광선의 편광을 보존한다.
광섬유(22 및 24)중 한 광섬유로부터 다른 광섬유로 교차 결합되는 광선은 II/2 위상 전이되지만, 교차결합되지 않고서 결합기(20)을 통과하는 광선은 위상 전이되지 않는다. 예를를면, 결합기(20)이 0.5의 결합 상수를 갖고 광 신호가 포오트(20A)에 입력되면, 포오트(20B 및 20D)에서의 출력은 크기가 동일하게 되지만 포오트(20B)에서의 출력은 포오트(20B)에서의 출력에 관려하여 II/2만큼 위상 전이된다.
결합기(20)은 약 0.1% 내지 0.2%의 전형적인 삽입 손실을 갖고 있는 저손실 장치이다. 본 명세서에 사용된 바와같은 "삽입 손실"이란 용어는 결합기(20)을 통과하는 광선 에너지의 실제 산란 손실을 말한다. 예를 들어, 광선 에너지가 포오트(20A)에 입력되고, 포오트(20B 및 20D)에서 출력된 광선 에너지의 합이 입력 에너지의 97%이면, 삽입 손실은 3%이다.
"결합기 전송틀"이란 용어는 "1-삽입손실"로 정의되고, 전형적으로 십진분수로 표현된다.
차단 코어 결합기
제4도를 참조하면, 본 발명의 방법에 따라 형성된 차단 코어 광섬유 결합기(48)은 한쌍의 광섬유(50 및 52)를 포함한다.
광섬유(50)은 광섬유(50)상의 코어부(62) 및 피복물 부(64)를 노출시키기에 충분한 광섬유 물질을 제거하기 위해 닦여진다. 이와 유사하게, 광섬유(52)는 광섬유(52)상의 코어부(66) 및 피복물 부(68)을 노출시키기에 충분한 광섬유 물질을 제거하기 위해 닦여진다. 양호하게도, 광섬유(50 및 52)는 동일한 직경을 갖고, 코어 및 피복물부(62 및 64)는 코어 및 피복물부(66 및 68)과 거의 동일한 크기를 갖는다. 코어부(62) 및 피복물부(64)의 크기는 광섬유(50)의 코어 및 피복물의 직경 및 광섬유물질이 제거되는 길이에 의해 결정된다. 이와 유사하게, 코어부(66) 및 피복물부(68)의 크기는 광섬유(52)의 코어 및 피복물의 직경 및 광섬유 물질이 제거되는 깊이에 의해 결정된다.
노출된 코어부(62 및 66)과 피복물부(64 및 68)은 접촉단계로 나란히 놓여진다. 그다음, 광섬유(50 및 52)는 다음에 기술하는 바와 같이, 서로 결합된다. 결합기(48)의 결합 효율은 일차적으로 물질이 광섬유(50 및 52)의 코어들로부터 제거되는 깊이 및 광섬유들이 서로 결합될때의 평평한 영역의 상대 위치에 의해 결정된다.
광섬유(50 및 52)가 상이한 직경을 가지면, 이 광섬유들은 노출 코어 및 피복물부가 필수적으로 동일한 크기를 갖게 되도록 상이한 깊이로 닦여진다. 광섬유(50)이 광섬유(52)보다 작은 코어 직경을 가지면, 결합기(48)의 결합 효율은 광섬유가 코어들이 차단하는 영역으로 광파를 이송하는 것에 따라 변한다. 결합 효율은 일반적으로 광선이 작은 직경을 갖고 있는 광섬유로부터 결합기(48)상에 입사될때 더 높게 된다.
제조방법
결합기(20 및 48)을 제조하기 위한 처리 공정의 다음 설명은 에버네슨트 필드 결합기(20)을 제조하기 위해 사용된 수단들을 설명함으로써 시작된다. 에버네슨트 필드 결합기(20) 및 차단코어 결합기(48)을 제조하는데 다수의 동일한 수단들이 포함된다. 차단 코어 결합기(48)을 제조하기 위한 공정은 제조 방법들 사이의 유사성 및 상이성을 지적하게 된다.
결합기(20)의 형성시의 제1수단을 나선(barc)피복물을 수용하기 위해 광섬유의 수 cm길이로 될 수 있는 소정의 재킷(jaket)물질을 제거하는 수단이다. 제7도 및 제8도를 참조하면, 광섬유(22 및 24)는 소정의 적합한 접착체를 사용함으로써 한쌍의 기질(70 및 72)의 볼륵하게 만곡된 표면에 각각 부착된다. 기질(70 및 72)는 유리, 금속 또는 플라스틱과 같은 소정의 일반적인 강성 물질로 제조될 수 있다. 기질(70 및 72)의 곡선 반경은 양호하게 동일하고, 곡선에 꼭맞게 만곡될때 광섬유들이 파괴될 위험성을 배제할 만큼 충분히 크다.
광섬유(22 및 24)의 중심부는 피복물 물질을 제거하여 평면(34 및 36)을 형성하도록 선정된 깊이로 종래의 랩핑(lapping)방법을 사용하여 랩될 수 있다. 평면(34 및 36)은 이 평면들이 이들 사이에서 접착제 또는 굴절률 정합 오일없이 서로 배치될 때 서로 접착되도록 충분히 평평해야 한다.
광학적으로 평평하도록 평면(34 및 36)을 형성하는데 유리한 랩핑 기술은 제10도에 도시되어 있다. 광섬유(22)는 기질(70)에 장착된 것으로 도시되어 있는데, 이 광섬유(22)는 클램핑 또는 아교접착과 소정의 적합한 수단에 의해 보유기(73)에 접속된다. 보유기(73)은 광학적으로 평평한 랩핑 평면(79)에 관련하여 샤프트(75) 및 보유기(73)의 상승을 제어하는 모터(77)로부터 연장되는 샤프트(75)상에 지지된다. 랩핑은 랩핑표면(79)에 접해 있는 볼록하게 만곡된 광섬유(22)의 중심부로 시작한다.
랩핑이 진행될 때, 모터(77)은 평면(34)가 광섬유(22)와 랩핑 표면(79)사이의 초기 접촉점으로부터 방사상 내향으로 랩핑함으로써 형성되도록 샤프트(75), 보유기(73) 및 광섬유(22)가 부착되어 있는 기질(70)를 낮춘다.
광섬유가 랩되는 깊이를 결정하기 위한 양호한 방법은 광 신호를 레이저(81)로부터 광섬유의 한 단부로 인가시켜 광검출기(83)으로 다른 단부에서의 광 출력을 모니터하는 것이다. 광섬유(22)의 굴절률에 가까운 굴절률을 갖고 있는 랩핑 슬러리(slurry)는 랩핑 공정동안에 랩핑 표면(79)상에 유지된다. 랩핑이 진행될때, 광선은 광섬유(22)로부터 랩핑 슬러리내로 결합되므로, 광섬유(22)의 광출력을 감소시키게 된다. 광 출력은 랩핑 깊이에 상관될 수 있다. 일반적으로, 광 출력과 랩핑 깊이 사이의 관계는 랩되는 광섬유의 특수형태에 따라 변한다. 그러므로, 랩되는 특정한 광섬유 및 이에 사용된 랩핑 슬러리에 대한 검정 곡선을 발생시키도록 광 출력의 함수로서 랩핑 깊이의 일련의 측정으로 실행할 필요가 있다.
상술한 바와같이, 에버네슨트 필드 결합기(20)을 형성하기 위해 사용된 광섬유로부터 너무 많은 피복물질이 제거되지 않도록 주의해야 한다. 통상적인 단일 모우드 광섬유를 사용하여, 1 내지 2%의 결합 효율을 갖도록 결합기(20)을 형성하면, 타원형 표면의 중심에서의 코어 깊이의 약 10%가 제거될 필요가 있다.
광섬유(22 및 24)가 대응 기질(70 및 72)상에 장착되고 타원형 표면들이 예를들어 상술한 방법을 사용하여 형성된 후, 평면(34 및 36)은 제7도 내지 제9도에 도시한 바와같이 나란하게 배치된다. 표면(34 및 36)을 바람직한 위치내에 유지시키기 위한 양호한 방법은 제9도에 도시한 바와같이 지그(jig, 82)내에 배치되도록 지질(70 및 72)를 배치시키는 것이다. 지그(82)는 서로에 관련하여 이동가능하도록 기질(70 및 72)를 유지하기 위해 한쌍의 보유기(84 및 86)을 포함한다. 기절(70 및 72)는 서로에 관련하여 바람직한 위치내에 배치된 다음, 광섬유(22 및 24)는 서로 결합된다. 통상적으로, 광섬유(22 및 24)는 이들 사이의 광 신호의 결합율을 최대화시키도록 배치된다.
결합기(20)은 바람직한 결합 상수를 갖도록 형성될 수 있다.
바람직한 결합 상수를 달성하기 위한 한 양호한 방법은 광 신호를 레이저(90)으로부터 광섬유(22)의 한단부(92)내로 입력시키는 수단을 포함한다. 입력 비임이 상호작용 영역(42)상에 충돌한 후 광섬유(22 및24)로 부터 발생되는 광 신호의 세기는 적합한 광검출기(94 및 96)을 사용하여 모니터되고, 기질들은 바람직한 결합 효율을 달성하기 위해 조종된다.
결합량은 평면(34 및 36)의 중첩량을 조정하기 위해 지그(82)내의 기질(70 및 72)를 이동시킴으로써 변화될 수 있다.
= 1 - It/ I1
= Ic(It+ Ic)-1
여기서, η는 결합효율이고, I1는 광섬유(22)에 입력된 광선 세기이며, It는 상호작용 영역(42)를 지나 광섬유(22)를 통해 전송된 광선이고, Ic는 광섬유(22) 및 광섬유(24)에 결합된 광선 세기이다.
광섬유(22 및 24)가 바람직한 결합 상수를 제공하기 위해 배치된 후, 에너지는 평면(34 및 36)의 공유 영역에 인가된다. 제8도에 도시된 바와같이, 에너지원은 레이저(98)로 될 수 있다. 레이저(98)은 양호하게 CO2레이저이고, 이것은 유리 전이 온도에 가까운 온도까지 광섬유(22 및 24)를 가열시키게 되는 출력 비임을 발생시켜야 한다. 또한, 에너지원은 초음파 발생기, 유도 가열 소오스 또는 바람직한 열량을 광섬유(22 및 24)에 제공하기에 적합한 다른 장치로 될 수 있다. 제8도 및 제9도에 도시한 바와같이, 힘 F는 결합 공정중에 광섬유(22 및 24)를 서로 압축시키도록 인가될 수 있다. 일반적으로, 약 1파운드(454g)의 압력이 간섭성 분자 결합 형성을 촉진시킨다.
전이 온도는 광섬유(22 및 24)가 형성되는 유리의 용융점 이하이다. 이 전이 온도는 광섬유(22 및 24)를 구성하는 물질에 따라 변한다. 광섬유는 굴절률을 제어하기 위해 이산화 게르마늄 또는 이에 첨가된 붕소와 같은 도펀트와 함께 이산화 실리콘으로 형성된다. 전형적으로, 이러한 광섬유들은 1100℃ 내지 1200℃범위의 전이 온도를 갖는다. 이 전이 온도는 결합될 광섬유에 대해 실험적으로 결정되어야 하고, 레이저(98)로부터 출력된 에너지는 결합 영역내의 온도가 전이 온도를 초과하지 않게 하도록 제어되어야 한다. 광섬유의 전이 온도는 온도가 증가할 때 광섬유가 연화되기 시작할때에 도달된다.
레이저(98)의 출력을 표면(34 및 36)의 접합부상에 인가시키면, 광섬유(22 및 24)는 녹게된다. 상술한 방법은 광섬유(22 및 24)를 구성하는 벌크(bulk)물질과 동일한 물리적 구조 및 동일한 광 특성을 갖고 있는 간섭성 분자 결합 영역을 발생시키는 표면(34 및 36)의 접합부를 형성한다.
본 명세서에 기술한 광섬유(22 및 24)상의 광학적 평면을 형성하여 결합시키는 공정은 광섬유(22 및 24)의 결합 표면(34 및 36) 양단 및 주위에서 분자적 간섭성이고, 균질하며, 연속적인 결합 표면을 갖고 있는 광섬유 결합기를 제공한다. 따라서 굴절률의 국부 불규칙성이 제거되므로, 결합 영역의 최종 상호작용 영역(46)은 분자적으로 일치하는 물질의 경우에 예상된 바와같이 양호하게 작용된 굴절률을 갗고 있다. 광학적평면(34 및 36)을 형성하기 위해 랩되게 하면서 광섬유(22 및 24)로부터의 광선을 결합시키는 수단은 선정된 결합 효율을 갖도록 결합기(20)을 형성하기 위해 랩핑 깊이 제조를 충분히 제어한다.
에버네슨트 필드 결합기(20)과 차단 코오 결합기(48)을 제조하기 위한 수단들 사이의 일차적인 차이점은 광섬유(22,24,50 및 52)가 랩되는 깊이이다. 결합량은 상호작용 영역의 길이에 따라 변하는데, 이것은 램핑깊이와 랩되는 광섬유의 곡선 반경은 함수이다. 일반적으로, 3dB차단 코어 결합기는 완전한 모우달(modal)혼합을 제공하기 위해 코어의 50%를 제거하도록 랩된 광섬유를 가져야 한다. 전자기 이론으로부터, 정상 모우드의 에너지 분포는 광섬유의 중심으로부터 방사상 거리에 따라 변한다는 것이 공지되어 있다. 저등급 모우드내의 에너지는 일차적으로 코어의 중심영역내에 있게 되고, 고등급 모우드는 코어/피복물 공유영역에 가까운 더 많은 에너지를 갖게 된다. 다중 모우드 광섬유내의 에너지의 대부분이 저등급 모우드이기 때문에, 코어의 중심 영역을 가짐으로써 접촉관계로 양호하게 결합된다.
상술한 방법에 따라 형성된 결합되는 부분별로 절단되어 고압 마이크로스코프 및 미류(mireau)간섭계로 시험되었다. 이 계기들은 결합 공유 영역이 광섬유의 코어 또는 피복물의 분자 배열을 전혀 왜곡시키지 않고 공유 영역의 분자 구조가 광섬유의 분자 구조와 동일하다는 것을 나타낸다.

Claims (10)

  1. 피복물(28,32)에 둘러싸여진 중심 코어(26,30)를 각각 갖고 있어, 코어(26,30) 및 피복물(28,32)가 특성 굴절률을 갖고 있는 한쌍의 광섬유(22,24)들 사이에 광파를 결합시키기 위한 광섬유 결합기(20)에 있어서, 피복물(28)의 최소한 일부분을 제거함으로써 제1광섬유(22)상에 형성된 제1평면(34), 피복물(32)의 최소한 일부분을 제거함으로써 제2광섬유(24)상에 형성된 제2평면(36), 및 상기 제1과 제2평면(34와 36)사이에 형성된 간섭성 분자 결합부를 포함하고, 제1 및 제2평면(34,36)이 광선이, 광섬유(22,24)들 사이로 전달되는 상호작용 영역(42)를 형성하기 위해 나란히 놓여지는 것을 특징으로 하는 광섬유 결합기(20).
  2. 제1항에 있어서, 상기 간섭성 분자 결합부가 특성 코어 및 피복물 굴절률을 상호작용 영역에서 일정하게 유지시키면서 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 결합기(20).
  3. 제1항에 있어서, 간섭성 분자 결합부가 광적으로 평평하게 되도록 제1 및 제2평면을 랩시키고 제어된 에너지량을 인가하여 평면들을 서로 결합시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 결합기(20).
  4. 제3항에 있어서, 핑면들이 서로 결합될때 제1과 제2평면(34와 36)사이에 압력을 인가시키기 위해 압축력이 제1과 제2광섬유(22와 24)에 인가되는 것을 특징으로 하는 광섬유 결합기(20).
  5. 피복물로 둘러싸여진 중심 코어를 각각 갖고 있고 코어 및 피복물이 특성 굴절률을 갖고 있는 한 쌍의 광섬유들사이에 광파를 결합시키기 위한 광섬유 결합기를 형성하기 위한 방법에 있어서, 피복물의 최소한 일부분을 제거함으로써 제1광섬유상에 형성된 제1평면을 형성하는 단계, 피복물의 최소한 일부분을 제거함으로써 제2광섬유상에 형성된 제2평면을 형성하는 단계, 및 제1과 제2평면사이에 형성된 간섭성 분자 결합부를 형성하는 단계를 포함하고, 제1 및 제2평면이, 광선이 광섬유들사이로 전달되는 상호작용 영역을 형성하기 위해 나란히 놓여지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 간섭성 분자 결합부를 형성하는 단계가 선정된 결합 효율을 제공하기 위해 서로에 관련하여 평면들을 정렬시키는 단계, 및 평면들을 서로 결합시키도록 에너지를 평면에 인가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 평면을 정렬시키는 단계가 상호작용 영역의 한 측상의 광섬유들중 한 광섬유의 한 단부내로 광 비임을 유입시키는 단계, 및 상호작용 영역의 따른 측상의 광섬유들 중 최소한 광섬유의 한 단부로부터 출력된 광 에너지를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 에너지를 평면에 인가시키는 단계가 평면상에 간섭성 광선 비임을 집속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 간섭성 분자 결합부를 형성하는 단계가 광섬유의 용융 온도이하의 전이 온도로 광섬유를 가열시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 평면들이 서로 결합될 때 제1과 제2평면사이에 압력을 인가시키키 위해 압축력을 제1 및 제2광섬유에 인가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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