KR940002353B1 - 광학 섬유 결합기 - Google Patents

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KR940002353B1 KR1019860004646A KR860004646A KR940002353B1 KR 940002353 B1 KR940002353 B1 KR 940002353B1 KR 1019860004646 A KR1019860004646 A KR 1019860004646A KR 860004646 A KR860004646 A KR 860004646A KR 940002353 B1 KR940002353 B1 KR 940002353B1
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블로테크자에르 크젤
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더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 쥬니어 유니버시티
캐더린 쿠
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Abstract

내용 없음.

Description

광학 섬유 결합기
제1도는 전형적인 단일 모우드 광학 섬유를 개략적으로 도시한 단면도.
제2도는 전형적인 다중 모우드 광학 섬유를 개략적으로 도시한 단면도.
제3도는 광학 섬유의 제1차 모우드에 대한 에너지 분포 패턴을 도시한 그래프.
제4도는 광학 섬유의 제2차 모우드에 대한 에너지 분포 패턴을 도시한 그래프.
제5도는 스텝 인덱스 다중 모우드 광학 섬유의 코어내에 유도되는 광선 및 그 이상의 각도에서는 광선이 광학 섬유에 의해 유도되지 않게 되는 최대 전반사 여각을 개략적으로 도시한 도면.
제6도는 제5도의 광학 섬유를 따라 전달되는 자오면 광선 및 스큐 광선을 개략적으로 도시한 도면.
제7도는 본 발명의 결합기의 양호한 실시예의 사시도.
제8도는 제7도의 선 8-8을 따라 절취하여 다중 모우드 버스 광학 섬유의 중심에 배치된 소형 반사경을 도시한 본 발명의 결합기의 부분 단면도.
제9도는 광선을 입력 분로 광학 섬유로부터 다중 모우드 버스 광학 섬유로 광학적으로 결합시킬 때의 반사경의 작용을 도시한, 제7도의 결합기의 부분 단면도.
제10도는 반사경으로부터 반사된 광선의 원거리 필드 세기 분포를 도시한 예시적인 에어리 회절 패턴도.
제11도는 광선을 다중 모우드 버스 광학 섬유로부터 출력 분로 광학 섬유로 결합시킬 때의 반사경의 작용을 도시한, 제7도의 결합기의 부분 단면도.
제12도는 광학 섬유 국부 회로망내의 다수의 워크 스테이션들중 한 워크 스테이션내에 본 발명의 결합기를 사용하는 방법을 도시한 개략도.
제13도는 예시적인 감지기 시스템 내에 본 발명의 결합기를 사용하는 방법을 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 단일 모우드 광학 섬유 14,20 : 코어
16,22 : 피복물 18,42 : 다중 모우드 광학 섬유
28,49 : 종축 30,31 : 광선
40 : 광학 섬유 결합기 44 : 입력 광학 섬유
46 : 출력 분로 광학 섬유 48 : 공통선
50 : 석영블럭 52,56 : 렌즈
54 : 측면 60 : 반사기
80,90 : 원추형 광선 빔 82 : 반사 광선
84 : 에어리 회절 패턴 98 : LAN스테이션
100 : 수신기 102 : 송신기
110 : 입력버스 112(1) 내지 122(n-1) : 감지기
113 (1) 내지 113(n-1) : 단일 모우드 입력 분로 광학 섬유
114(1) 내지 114(n-1) : 광학 섬유 방향성 결합기
본 발명은 주로 광학 섬유 결합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면 단일 모우드-다중 모우드 광학 섬유 방향성 결합기에 관한 것이다.
광학 섬유 방향성 결합기는 통신 회로망, 광학 신호 처리 및 감지기 시스템에 사용된다. 예를들어, 광학 섬유 근거리 통신망(LAN)은 광학 섬유 버스(bus)와, 광학 송신기 및 수신기로 각각 구성되는 다수의 워크스테이션(work station) 사이에 광선을 결합기들은 "가역(reciprocal)" 장치이다. 즉, 본래부터 이 방향성 결합기들은 제1광학 섬유로부터 제2광학 섬유로 결합되거나 제2광학 섬유로부터 제1광학 섬유로 결합되거나에 관계없이 동일한 부분의 광학 전력을 결합시킨다. 한편, 비-가역 결합 장치는 상당히 상이한 광학 전력부분을 광학 섬유들 사이에 결합시킨다. 이러한 비-가역 결합 장치는 근거리 통신망과 같은 다수의 응용의 경우에 가역 결합 장치보다 더 유리하다. 예를들어, 근거리 통신망에서는, 보스가 다수의 스테이션을 수용하도록 하기 위하여, 데이타 신호 광학 전력의 적은 부분만을 버스로부터 각각의 스테이션에 결합시키는 것이 바람직하다. 한편, 각각의 스테이션에서 발생된 거의 모든 데이타 신호 광학전력이 데이타 버스에 결합되는 것이 바람직하다. 가역 결합기가 양방향으로(즉, 버스로부터 스테이션으로, 또는 스테이션으로부터 버스로) 동일한 광학 전력량을 결합시키기 때문에, 근거리 통신망내에 이러한 가역 결합기를 사용하면 최대 스테이션 수가 심하게 제한된다. 유사한 문제점은 다중송신방식(multiplexed) 감지기 회로망과 같은 다른 광학 섬유 응용시에도 존재한다.
상술한 문제점들은 비-가역 단일 모우드-다중 모우드 광학 섬유 방향성 결합기를 사용함으로써 종래 기술에서 제기되었다. 다중 모우드 광학 섬유는 데이타 버스로서 작용하고, 단일 모우드 광학 섬유는 예를들어 워크 스테이션에서 발생된 광학 데이타는 다중 모우드 광학 섬유 버스에 결합하기 위해 단일 모우드 광학 섬유를 통해 전송된다. 종래기술의 결합기들은 전형적으로 단일 모우드 광학 섬유 및 다중 모우드 광학 섬유 측으로부터 피복물의 일부분을 제거한 다음, 피복물이 제거된 광학 섬유 부분들을 나란히 배치시키어 광학 섬유들이 나란한 관계로 되게 함으로써 형성된다. 그러나, 단일 모우드 광학 섬유와 다중 모우드 광학 섬유 사이를 효율적으로 결합시키기 위해서, 결합된 모우드들은 거의 동일한 위상 속도를 갖도록 위상 정합되어야 한다. 다중 모우드 광학 섬유의 모우들이 상당한 범위에 걸쳐 분산된 위상 속도를 갖기 때문에, 다중 모우드 광학 섬우내의 제한된 수의 고차 모우드들만이 사용된다. 그런므로, 다중 모우드 광학 섬유내의 최종 모우드 분포는 균일하지 않고, 미소 만곡(microbend) 또는 그외의 다른 광학 섬유 동요의 영향을 받는다. 따라서, 이러한 결합 계수는 주위 환경의 영향을 받을 수 있다.
본 발명은 제1 및 제2광학 섬유를 갖고 있는 방향성 결합기를 구성한다. 또한, 본 발명의 양호한 실시예는 제3광학 섬유를 포함한다. 양호하게는, 제1광학 섬유는 단일 모우드 광학 섬유이다. 제2광학 섬유는 다수의 모우드 그룹(group)을 갖고 있는 다중 모우드 광학 섬유이다. 기술한 양호한 실시예에서, 제2광학 섬유는 광학버스로서 작용하고, 제1 및 제3광학 섬유는 광선을 제2광학 섬유에 들어가고 나오도록 결합시키기 위한 입력 및 출력 분로를 제공한다. 유리하게도, 본 발명의 결합기는 광학 섬유내의 모우드를 위항 정합시킬 필요가 없다.
광학 섬유들 사이의 결합은 다중 모우드 광학 섬유의 코어내에 배치된 반사기에 의해 달성된다. 이 반사기의 크기 및 방향은 다중 모우드 광학 섬유내에서 전달되는 광선의 적은 부분만이 입사되기에 충분하게 되어 있다. 양호한 실시예에서, 반사기는 광학 섬유 코어의 중심에 배치된다. 반사기 입사되는 광선은 출력 분로 광학 섬유를 향해 반사되어 예를들어 그레이디드 인덱스 렌즈를 통해 이 출력 분로 광학 섬유에 결합된다. 반사기의 크기 및 방향은 다중 모우드 광학 섬유내에서 전달되는 광선의 극히 일부분만을 가로채도록 되어 있기 때문에, 다수의 결합기들이 버스의 시스템 효율을 심하게 감쇄시키지 않고서도 단일 광학 섬유 버스상에 배치될 수 있다.
다중 모우드 광학 섬유를 향해 입력 분로 광학 섬유내에서 전달되는 광선은 예를들어 그레이디드 인덱스렌즈에 의해 반사기상에 집속된다. 반사기는 다중 모우드 광학 섬유의 축의 길이 방향으로 향한 원추형 빔(beam)내에 이 집속 광선을 반사시키도록 배향된다. 이 원추형 빔은 다중 모우드 광학 섬유의 허용 원추내의 거의 모든 모우드들이 여기되도록 발산된다. 양호하게도, 광선은 모우드 그룹들 사이에 분포되므로, 각각의 모우드 그룹내의 광학 전력은 모우드 그룹내의 모우드 수에 비례한다. 이것은 다중 모우드 광학 섬유의 허용 원추로 정해진 영역에 걸쳐 원추형 빔의 세기를 균등화시킴으로써 달성된다. 이 세기는 "일정한 세기 빔 부분"이라고 부르는 비교적 균일한 세기를 갖는 반사 빔의 부분만이 광학 섬유의 허용 원추내에 있도록 다중 모우드 광학 섬유의 개구수(numerical aperture)를 선택함으로써 균등화된다. 일정한 세기 빔 부분의 크기는 근사적 가우스분포인 에너지의 피이크(peak)내에 있는 입력 분로 광학 섬유로부터의 광선 부분만이 반사되도록 입사되는 빔에 관련하여 반사기의 크기를 정함으로써 증가될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 이러한 특징들 및 그외의 다른 특징들에 대해서 설명하겠다.
본 발명의 결합기에 기초가 되는 발명 개념을 완전히 이해하기 위해서 광학 섬유의 모유드 이론을 기초적으로 이해하는 것이 도움이 된다. 따라서, 본 발명의 구조적 특징 및 기능적 특징을 설명하기 전에, 모우드 이론을 간단하 설명하겠다.
광학 섬유들은 넓게 2개의 그룹, 즉 단일 모우드 광학 섬유와 다중 모우드 광학 섬유로 분류될 수 있다. 이 명칭들이 의미하는 바와같이, 단일 모우드 광학 섬유들은 단일 모우드만으로 광선을 전달하고, 다중 모우드 광학 섬유는 다중 모우드로 광선을 전달한다. 일반적으로, 모우드는 이상을 제외하고는 변화되지 않고서 광선이 전달되는 광학 섬유내의 광학 통로로서 정의될 수 있다. 그러므로, 단일 모우드 광학 섬유는 단일 광학 통로를 갖고 있는 것으로 간주될 수 있고, 다중 모우드 광학 섬유는 다수의 독립 광학 통로를 갖고 있는 것으로 간주될 수 있다.
하나의 광학 섬유에 의해 수용될 수 있는 모우드수는 광학 섬유의 기하학적 형태, 특히 커어 반경에 따라 변한다. 전형적인 단일 모우드 광학 섬유는 제1도에 도시되어 있고, 전형적인 다중 모우드 광학 섬유는 제2도에 도시되어 있다. 단일 모우드 광학 섬유(12)는 외부 피복물(16)으로 둘러싸여진 내부 코어(14)를 갖고 있다. 이와 마찬가지로, 다중 모우드 광학 섬유(18)은 외부 피복물(22)로 둘러싸여진 내부 코어(20)을 포함한다. 도시한 바와같이, 단일 모우드 코어(14)는 다중 모우드 코어(20)보다 작다. 일반적으로, 광학 섬유에 의해 수용되는 모우드 수는 코어 반경, 코어 및 피복물의 굴절류, 및 광학 섬유를 통해 전달되는 광선의 파장의 함수이다. 더우기, 코어의 정확한 굴절률 분포형태는 수용되는 모우드 수에 영향을 미친다. 전형적으로, 단일 모우드 광학 섬유는 5 내지 10미크론 정도의 코어 반경을 갖고, 다중 모우드 광학 섬유는 전형적으로 50 내지 100미크론 정도의 코어 반경을 갖고 있다.
각각의 광학 섬유 모우드는 다른 모우드에 비해 독특한 단면 에너지 분포를 갖는다. 예를들어, 제1차 또는 기본 모우드에 대한 에너지 분포가 제3도에 도시되어 있다. 제3도의 Y축은 광학 에너지를 나타내고, X축은 광학 섬유 코어 중심으로부터의 거리를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 기본 모우드의 에너지 분포는 거의 가우스 분포를 따르므로, 대부분의 광학 에너지는 광학 섬유의 중심에 집중된다. 단일 모우드 광학 섬유의 기하학적 형태는 이 제1차 또는 기본 모우드만이 전달되도록 되어 있다. 그러나, 코어 반경이 증가하고 그외의 다른 파라메터들이 일정할 때, 광학 섬유는 부수적인 모우드, 예를들어 제2차, 제3차, 제4차등의 모우드를 수용하기 시작한다. 제2차 모우드에 대한 에너지 분포는 제4도에 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 제2차 모우드내의 광학 에너지는 2개의 로브(lobe)내에 분포되는데, 이 로브들은 광학 섬유 코어의 중심으로부터 멀어지게 된다. 일반적으로, 에너지 분포는 모우드의 차수(즉, 모우드수)가 증가함에 따라 광학 섬유 코어의 중심으로부터 더욱 멀어지는 경향이 있다. 그러므로, 낮은 차수 모우드내의 광선은 높은 차수 모우드보다 광학 섬유 코어의 중심에 더 가까이 전달된다.
각각의 상술한 모우드(예를들어, 제1차, 제2차, 제3차 등)은 서로 상이한 속도로 광선을 전달하는 경향이 있다. 공지된 바와 같이, 광학 섬유의 불완전성 및 동요는 다른 모우드들 사이의 광선을 결합시킨다. 이러한 결합은 모우드들 사이의 위상 속도 차이를 감소시킴에 따라 증가한다. 상술한 모우드들의 전달 속도는 충분히 서로 달라서 이 모우드들은 거의 결합되지 않는다. 그러므로, 특정 모우드내에 발사된 광선은 장거리(예를들어, 시판중인 광학 섬유의 경우에는 수 ㎞정도)동안 이 모우드로 유지된다.
본 분야에 숙련된 기술자들은 각각의 상술한 모우드들이 밀접하게 관련된 모우드들의 그룹으로 구성된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를들어, 제1차 모우드는 편광 모우드들을 구성하는 2개의 모우드의 그룹으로 세분될 수 있다. 제2차 모우드는 4개의 모우드들의 그룹으로 세분될 수 있다. 특정한 모우드 그룹내의 모든 모우드들이 거의 동일한 위상 속도를 갖고 각각의 모우드 그룹의 위상 속도가 다른 모우드 그룹에 관련하여 상이하다는 것을 이해하는 것이 중요하다.
일반적으로, 각각의 모우드그룹내의 모우드 수는 모우드 차수(즉, 모우드 수)에 따라 증가한다. 그러므로, 제2차 모우드는 제1차 모우드의 모우드 그룹보다 많은 모우드를 갖고 있는 모우드 그룹을 포함하고,제3차 모우드는 제2차 모우드의 모우드 그룹보다 많은 모우드를 갖고 있는 모우드 그룹을 포함한다. 다음에 참조하기 위해. "모우드 그룹"이란 용어는 거의 동일한 위상 속도를 갖고 있는 모우드의 그룹을 나타내는 것으로 사용되고, "모우드"란 용어는 광학 섬유내에서 전달되는 소정 모우드를 나타내는 일반적 의미로 사용된다.
모우드 그룹내의 모우드들이 거의 동일한 위상 속도를 갖기 때문에, 광선은 모우드 그룹내의 모우드들 사이에 쉽게 결합하는 경향이 있다. 이 결합은 모든 시판중인 광학 섬유내에 존재하는 약간의 고유 불완전성에 의해 야기된다. 일반적으로, 광학 섬유를 따라 비교적 짧은 거리만을 전달된 후에는 그룹내의 모우드들 사이에 고른 전력 분포를 야기시킬만큼 현재 시판중인 광학 섬유내에 충분한 고유 불완전성이 있다고 가정한다. 그러므로, 모우드 그룹내의 단일 모우드에만 결합된 광선은 이 그룹내의 다른 모우드들에 신속히 결합하게 될 것이다.
광학 섬유 모우드들에 대한 상술한 설명은 필드 이론(field theory)의 용어로 일차적으로 제종되었다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 모우드 및 모우드 그룹이 다른 이론, 즉 "광선 이론"의 용어로 대신 기술될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 광선 이론하에서, 소정 모우드로 전달되는 광선은 한 셋트의 광선으로 표시될 수 있다. 제5도를 참조하면, 제1차 또는 기본 모우드는 다중 모우드는 다중 모우드 광학 섬유 코어(20)의 종축(28)과 일치하는 광선(도시하지 않음)으로 표시된다. 각각의 고차 모우드는 광학 섬유 코어(20)의 종축(28)에 대하여 소정 각도로 기울어지는 한 셋트의 광선으로 표시된다.
일반적으로, 모우드 그룹 수가 많아질수록, 광선 셋트와 코어의 종축(28) 사이의 각도가 더 크게 된다. 예를들어, 제5도의 광선(30)은 설명을 위해 15개의 모우드 그룹들을 갖고 있는 다중 모우드 광학 섬유의 제10차 모우드 그룹내의 한 모우드로 가정되는 고차 모우드내의 광선들 중 한 광선을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 광선(30)은 각θ로 각 광학 섬유(18)의 종축을 가로지른다. 그러므로, 모우드 그룹 11-15를 나타내는 광선 셋트(도시하지 않음)는θ보다 큰 각도로 종축(28)로부터 기울어지게 되고, 모우드 그룹 1-9를 나타내는 광선 셋트(도시하지 않음)는θ보다 작은 종축(28)로부터 기울어지게 된다.
제5도로부터, 광선(30)은 코어(20)과 피복물(22) 사이의 경계영역에 도달할 때마다 내부 전반사되어 광선(30)은 광학 섬유(18)의 길이 방향으로 유도된다. 이러한 내부 반사는 광학 섬유 코어내로 유도하는데 반사를 전혀 필요로 하지 않는 기본 모우드를 제외한, 광학 섬유(18)에 의해 수용되는 모든 모우드의 경우에 생기는데, 그 이유는 기본 모우드가 축(28)을 따라 전달되기 때문이다.
제6도에 도시한 바와 같이, 제5도를 참조하여 기술한 광선(30)은, 광학 섬유 축(28)을 지나 광학 섬유의 한쪽 코어/피복물 경계로부터 광학 섬유의 다른 쪽 코어/피복물 경계로 연장되는 평면내에서 광학 섬유(18)을 따라 전달된다. 다음에 참조하기 위해서, 광선이 광학 섬유(18)을 따라 전달될 때 코어(20)의 중심 종축을 통과하는 이러한 광선을 "자오면(meridional)광선"이라 부른다. 자오면 광선 위에, 각각의 모우드 그룹은 "스큐(skew)" 광선이라고 부르는 제6도 내의 광선(31)과 같은 광선을 포함한다. 스큐광선은 전달중에 코어의 종축을 통과하지 않는다는 것으로 자오면 광선과 구별된다. 그러나, 특정한 모우드 그룹내의 모든 모우드들을, 스큐이든지 자오면이든지 간에, 거의 동일한 각도만큼 코어의 중심 종축에 대하여 기울어진다. 그러므로, 예시적인 광선(30 및 31)이 동일한 모우드 그룹내에 있기 때문에, 광선(30 및 31)은 모두 각θ로 중심 종축에 대하여 기울어지게 된다. 일반적으로,특정한 자오면 광선에 관련된 스큐 광선 수는 각θ가 증가함에 따라 증가한다. 그러므로, 통상적으로 저차 모우드에 관련된 스큐 광선보다 고차 모우드에 관련된 스큐 광선이 더 많다.
본 분야에 숙련된 기술자들은 측정 광선과 코어의 중심 종축(28) 사이의 각[예를들어, 광선(30)에 대한 각θ]가 광선으로 표시되는 모우드의 전달 속도를 정한다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 특정 모우드 그룹을 구성하는 모든 광선이 종축에 대하여 거의 동일한 각(예를들어, 제5도에서의 각θ)만큼 기울어지기 때문에, 이 모우드 그룹내의 모든 모우드들은 광선을 거의 동일한 속도로 전달하게 돌 것이다. 상당히 상이한 각도록 종축(28)로부터 기울어지는 광선에 관련된 모우드들은 광선을 상당히 상이한 속도로 전달하게 되고 상이한 모우드 그룹내에 있게 될 것이다.
공지된 바와 같이, 스텝 인덱스(step index) 광학 섬유내에서, 광선들은 광학 섬유의 피복물이 코어의 굴절류보다 낮은 굴절류을 갖는다는 사실로 인해 코어/피복물 경계에서 반사된다. 광학 섬유에 의해 유도되는 광선의 수는 피복물의 굴절률에 대한 코어의 굴절류의 비의 함수이다. 본 명세서에서 "전반사 여각"이라고 부른θ C(제5도)이상의 각도로 축(28)로부터 기울어진 광선은 반사되지 않고, 그 대신 피복물을 통해 광학 섬유 외부로 방사하게 된다. 이 각θ C는 는 다음과 같이 코어와 피복물 사이의 굴절률 차이에 의해 정해진다.
Figure kpo00001
여기서, n1은 코어의 굴절률이고, n2는 피복물의 굴절률이다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 각θ C가 광학 섬유의 섬유의 개구수에 밀접하게 관련된다는 것을 알 수 있을 것이다.
반경 a의 코어를 갖고 있는 스텝 인덱스 광학 섬유내에서,θ C보다 작은 각도로 축(28)로부터 기울어지는 광선의 수(M)[즉, 광학 섬유에 의해 수용되는 모우드의 수(M)]은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure kpo00002
인데, λ는 진공에서의 광선 파장이다.
양(M)이 모든 모우드 그룹들 내의 모우드 총 갯수를 정한다는 것을 알아야 한다.
모우드 이론의 기본 원리를 간단히 기술하였으므로, 이제 본 발명에 대해서 설명하겠다. 제7도 및 제8도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 결합기(40)은 내부 코어(42a)와 외부 피복물(42b)를 갖고 있는 다중 모우드 광학 섬유(42)를 포함한다. 이 다중 모우드 광학 섬유(42)는 결합기(40)의 광학 신호 "버스"로서 작용한다. 이 결합기(40)은 또한 용이하게는 단일 모우드 광학 섬유인 입력 분로 광학 섬유(44)를 포함한다. 입력 광학 섬유(44)는 광학 섬유 버스(42)에 결합시키기 위해 LAN 송신기 또는 감지기와 같은 장치로부터 광학 신호를 이송시킨다. 부수적으로, 결합기는 단일 모우드 광학 섬유 또는 다중 모우드 광학 섬유로 될 수 있는 출력 분로 광학 섬유(46)을 포함할 수 있다. 그러나, 양호한 실시예에서, 출력 광학 섬유(46)은 단일 모우드 광학 섬유이다. 출력광학 섬유(46)은 광학신호를 광학 섬유(42)로부터 LAN 수신기와 같은 장치로 이송시킨다. 그러나, 다수의 감지기 시스템에서는, 출력 광학 섬유(46)이 필요없다.
기술한 실시예에서, 입력 및 출력 광학 섬유(44,46)의 중심 종축은 공통선(48)을 따라 놓여 있다. 부수적으로, 광학 섬유(44,46)은 공통 축(48)이 수직 방향으로다중 모우드 광학 섬유(42)의 중심 종축(49)를 가로지르도록 배치된다. 안정성 및 견고성을 위해, 다중 모우드 광학 섬유(42)는 양호하게 석영 블럭(50)과 같은 지지 구조물내에 장착된다. 도시한 바와 같이, 이 블럭(50)은 장방형 단면을 갖고 있다. 광학 섬유(42)는 블럭(50)의 종축을 따라 배치되는 블럭(50)내의 중심 구멍을 통해 연장된다. 광학 섬유(42)는 접착제에 의해 이 구멍내에 접착된다.
렌즈(52), 예를들어 그레이디드 인덱스 렌즈는 입력 광학 섬유(44)의 출력 단부와 블럭(50)의 측면들 중의 한 측면(54) 사이에 배치된다. 양호하게도, 그레이디드 인덱스 렌즈(52)는 접착제에 의해 블럭 면(54)와 입력 광학 섬유(44)에 부착된다. 이와 마찬가지로, 그레이디드 인덱스 렌즈(56)은 출력 광학 섬유(46)의 입력 단부와, 측면(54)에 대향하는 블럭의 측면(58) 사이에 배치된다. 이 렌즈(56)은 접착제에 의해 블럭 면(58)과 광학 섬유(46)에 유사하게 접착된다.
제8도에 도시한 바와 같이, 소형 반사기(60)은 다중 모우드 광학 섬유(42)의 코어내에서 광학 섬유(44,46)의 공동축(48)과 다중 모우드 광학 섬유(2)의 종축(49) 사이의 교차점에 배치된다. 양호한 실시예서. 반사기(60)은 원판모양의 평면 반사경이지만, 다른 형태의 반사경 표면들이 사용될 수도 있다. 반사경(60)의 평면은 광학 섬유(42)의 중심축에 대하여 45°로 배치된다. 반사경(60)은 화살표(64)로 표시한 방향으로 다중 모우드 광학 섬유(42)을 통해 전달하기 위해 렌즈(56)과 출력 광학 섬유(46)을 향해 반사시키도록 배향된다. 이 방향에서, 반사경은 또는 화살표(68)로 표시한 방향으로 입력 광학 섬유(44)를 통해 전달되는 광선을 수신하고, 이러한 광선을 화살표(64)로 표시한 방향으로 다중 모우드 광학 섬유(42)를 통해 전달하기 위해 반사시키도록 배치된다.
이 결합기(40)은 비-가역 장치이다. 즉, 결합되는 광학 전력의 분율은 광선이 다중 모우드 광학 섬유(42)에 결합되는지 다중 모우드 광학 섬유(42)로부터 결합되는지의 여부에 따라 상당히 상이하게 된다. 방향(68)로 입력 광학 섬유(44)를 통해 전달되는 광선의 상대적으로 많은 부분이 다중 모우드 광학 섬유(42)에 결합하게 된다. 그러나, 방향(64)로 다중 모우드 광학 섬유(42)내에서 전달되는 과선의 상대적으로 적은 부분이 방향(66)으로 전달하기 위해 출력 광학 섬유(46)에 결합하게 된다. 제9도 내지 제11도를 참조함으로써 결합기(40)의 비-가역 결합을 더욱 완전히 이해할 수 있다.
제9도는 단일 모우드 입력 광학 섬유(44)로부터 다중 모우드 광학 섬유(42)로의 광학 결합 상태를 도시한 부분 단면도이다. 방향(48)로 입력 광학 섬유(44)를 통해 전달되는 광선은 광선(81)로 표시한 원추형 빔(80)으로서 그레이디드 인덱스 렌즈(52)로 들어간다. 빔(80)은 광선(81)이 반사경(60)의 평면이 직경과 거의 동일한 직경에 수렴하도록 그레이디드 인덱스 렌즈(52)에 의해 집속된다. 반사경(60)의 표면의 광학 섬유(42)의 중심 축(49)에 대하여 45˚각도로 기울어져 있기 때문에, 반사경(60)은 방향(64)로 광학 섬유(42)를 따라 전달하기 위해 광선 빔(80)을 반사하게 된다. 이 반사경(60)은 매우 작고, 양호한 실시예에서, 이 반사경의 크기는 단일 모우드 광학 섬유(44)에 관련된 에너지 분포의 피이크내에 있는 빔(80)의 광학 에너지의 일부분만을 가로채도록 되어 있다. 이 광학 에너지 부분은 제3도에 크기(EP)로 표시되어 있다. 반사경이 작기 때문에, 입사되는 광선(80)은 광선(83)으로 표시한 원추형 빔(82)로서 반사된다. 이에 관련하여, 반사경(60)은 작은구명(예를들어, 바늘구멍)과 유사한 것으로서 작용하므로, 반사 광선(82)는 바늘구멍을 통과하는 광선이 회절로 인해 발산되는 것과 동일한 방식으로 발산된다. 반사경(60)에 대한 에어리(Airy) 회절패턴은 패턴(84)로서 제10도에 개략적으로 도시되어 있다.
명확히 도시하기 위해서, 반사경 위치 및 광학 섬유(42)의 중심축(49)만이 도시되어 있다. 반사경(60)으로부터 패턴(84)의 경계선까지 뻗어 있는 화살표는 반사된 광선 빔(82)내의 다수의 예시적인 광선의 전달방향을 나타낸다. 각각의 화살표의 길이는 특정한 전달 바향에 관련된 광학 세기를 나타낸다. 그러므로, 회절 패턴(84)는 반사 광선 빔(82)의 세기를 반사경 표면으로부터 반사되는 광선의 전달 방향의 함수로서 나타낸다.
제10도에 도시한 바와 같이, 반사 광선(82)의 세기는 중심축(49)를 따라 전달하는 광선의 경우에 가장 높다. 축(49)로부터 소정의 각도로 전달되는 광선들의 세기는 각도가 증가함에 따라 감소한다. 도시한 바와 같이, 반사 광선(82)는 종축(49)를 따라 연장되는 중심 로브(lobe, 86)으로 정해진 영역내에 주로 집중된다. 또, 일반적으로 축(49)로부터 축방향으로 연장되는 다수의 축방향 로브(88)들이 있다. 회절 패턴(84)의 제1제로(zero)[중심 로브(86)과다음 인접 측방향 로브(88)사이의 접합부]는 종축(49)로부터의 1.22λ/d[여기서 d는 반사경(60)의 직경이고, λ는 광선의 파장이다]의 각도로 광학 섬유 축(49)로부터 발산하는 원추형 광선 빔을 나타낸다. 회절 패턴(84)는 중심 로브(86)으로 표시한 이 원추형 광선 빔이 광학 섬유 축(49) 근처의 위치, 즉 축(49)로부터의 각 내에서 비교적 일정한 세기를 갖는다는 것을 나타낸다. 그러니, 세기는 각 1.22λ/d에 접근할 때 0을 향해 급속하게 떨어진다.
본 분야에 숙련된 기술자들은 광학 섬유(42)의 "허용 원추"내에 있는 반사 광선 빔(82) 부분만이 광학 섬유(42)에 의해 유도된다는 것을 알 수 있을 것이다. 공지된 바와 같이, "허용 원추"는 "전반사 여각" (θ C)로 정해진다. 허용 원추내의 광선[즉,θ C보다 큰 각도만큼 중심 축(49)로부터 기울어진 광선]은 광학 섬유에 의해 유도되지 않는다.
본 발명에서, 반사광선(82)는 광학 섬유(42)의 모든 모우드 그룹에 걸쳐 분포되는 것이 양호하다. 이것은 광학 섬유의 허용 원추가 패턴(84)의 중심 로브(86)으로 표시된 광선의 원추보다 작게되게 함으로써 용이하게 달성될 수 있다. 다른 방식으로 기술하면, 제6도를 참조하여 기술한 전반사 여각(θ C)는 각 1.22λ/d이하로 되어야 하는데, 이는 로브(86,88)사이의 제로는 각 1.22λ/d에 대각하지 않기 때문이다. 그러므로,
θC≤1.22λ/d (5)
로 되어야 한다.
상기 관계식은 반사경 직경(d), 파장(λ) 및 광학 섬유 파라메터(n1,n2)를 적당히 선택함으로써 만족할 수 있다. 제1제로가 생기는 각도는 반사경 직경에 반비례하여 변하므로, 전반사 여각(θ C)가 큰 광학 섬유는 반사경 직경(d)를 감소시킴으로써 조절될 수 있다.
식(5)의 관계식을 만족시킴으로써 반사 광선(82, 제9도)가 광학 섬유(42)의 모든 모우드 그룹내로 입사되지만, 각각의 모우드 그룹내의 모우드 수에 정비례하여 모우드 그룹들 사이에 광선을 분포시키는 것이 양호하다. 모우드 그룹내의 모우드들 사이의 결합이 단거리에 걸쳐 용이하게 생기기 때문에, 이러한 분포는 모든 광학 섬유 모우드를 사이의 세기를 균등화시킨다. 이 광학 전력 분포는 "전 반사 여각"(θ C)가 본 명세서에서 "일정한 세기 원추각"이라고 호칭한 각 γ이하로 되게 함으로써 달성될 수 있다.
제10도에 도시한 바와 같이, 각 γ는 종축(49)로부터 측정된 각으로서 그 사이에서는 중심 로브(86)의 세기가 거의 일정하다. 다른 방식으로 기술하면, 각 γ는 중심 축(49)와 광학 세기가 0을 향해 신속히 강하하기 시작하는 중심 로브(86)상의 한 지점 사이의 각이다. 그러므로, 각 γ는 본 명세서에서 "일정한 세기 빕 부분"이라고 호칭한 비교적 균일한 세기의 원추형 빔에 대각한다, 허용 원추가 일정한 세기 빔 부분이하로 되게 함으로써, 각각의 모우드 그룹은 모우드들이 세기에 관련하여 균등화되도록 그룹내의 모우드 수에 비례하여 광선을 수신하게 된다. 상술한 설명은 다음 관계식에 의해 수학적으로 표현될 수 있다.
θC≤γ (6)
반사경(60)이 양호한 실시예에서와 같이 광학 섬유의 중심[즉, 축(49)]에 배치되면, 각각의 모우드 그룹내의 자오면 광선만이 여기된다. 그러나, 상술한 바와 같이, 자오면 광선과 스큐 광선사이의 전력 재분포는 광학 섬유(42)를 통하는 짧은 전달 거리후에 각각의 모우드 그룹내에서 생기므로, 광학 전력이 모우드 그룹내의 모든 모우드들 사이에서 균등화되게 한다.
또한, 축외(off-axis) 위치내에 반사경을 배치시킴으로써 모우드 그룹내의 모우드들 사이의 전력 분포를 향상시킬 수도 있다. 이것은 더 많은 스큐 광선이 여기되게 하여, 모우드 전력을 더욱 고르게 분포시킨다.
양호한 실시예는 스텝 인덱스 광학 섬유를 사용하지만, 본 발명은 또한 그레이디드 인덱스 광학 섬유를 사용하여 실시될 수도 있다. 그러나, 이러한 경우에는 반사경을 광학 섬유축에 배치시키는 것이 양호한데, 그 이유는 그레이디드 인덱스 광학 섬유내의 국부 "전 반사 여각(θ C)"가 축의 위치에서 작아서 축의 여기가 방사 손실을 증가시키기 때문이다.
상술한 설명으로부터, 본 발명의 결합기(40)은 입력 광학 섬유(44)로부터의 거의 모든 광선을 다중 모우드 버스 광학 섬유(42)에 결합시킬 수 있음이 자명할 것이다. 또한, 반사경 크기, 파장 및 광학 섬유 파라메터들이 적당히 선택되면, 결합기(40)은 광학 섬유(42)의 모든 모우드들에 걸쳐 상당히 고르게 결합 광선을 분포시킨다.
제11도는 다중 모우드 광학 섬유(42)로부터 출력 광학 섬유(46)으로의 광학 결합 상태를 도시한 부분 단면도이다. 광선을 방향(64)인 다중 모우드 광학 섬유(42)를 통해 반사경(60)으로 전달된다. 반사경(60)이 코어 직경에 비해 매우 작기 때문에, 광학 섬유(42)내의 광학 전력의 적은 부분만이 반사경(60)상에 입사하게 된다. 방향(64)로 전달되는 광선은 광선 빔(80,제9도)이 입사하는 반사경(60)면의 뒷면에 입사됨을 주목한다. 그러므로, 기술한 실시예에서, 원판형 반사경의 양면은 반사 표면을 갖는다. 반사경(60)상이 입사되는 다중 모우드 광학 섬유(42)내에서 전달되는 광선 부분은 광선(91)로 표시한 원추형 빔(90) 형태로 반사된다. 원추형 빔(90)은 광학 섬유축에 거의 수직한 방향으로 전달되므로, 내부 반사되지 않고서 피복물을 통해 방사하게 된다. 피복물을 통해 전달된 후, 빔(90)은 블록(50)을 통해 그레이디드 인덱스 렌즈(56)으로 전달된다. 이 렌즈(56)은 출력 광학 섬유(46)의 입력 단부에 입력시키기 위해 발산 원추형 광선 빔(90)을 접속시킨다. 그 다음, 광선(90)은 방향(66)으로 출력 광학 섬유(46)을 통해 전달된다.
상술한 바와 같이, 반사경(60)은 매우 작으므로, 반사경(60)에 의해 다중 모우드 광학 섬유(42)로부터 단일 모우드 광학 섬유(46)에 결합된 광선 부분은 결합되지 않은 다중 모우드 광학 섬유(42)내의 광선 부분(즉, 반사경상에 입사되지 않은 부분)에 비해 극히 작게 된다. (LAN 및 감지기 회로망과 같은)다중 모우드 광학 섬유 버스(42)를 따라 간격을 두고 배치된 다수(n)의 결합기(40)을 갖고 있는 광학 시스템에서, 반사경(60)의 크기는 광학 섬유 버스(42)에 결합되는 광학 전력의 최대 시스템 효율을 위해 최적화될 수 있다. 다음에 더욱 상세하게 기술되어 있는 바와 같이, 양호한 실시예에서의 최적 반사경 직경(d)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure kpo00003
제12도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 결합기(40)은 LAN버스와 이 버스를 따라 배치된 송신기/수신기 스테이션 사이를 광학 통신하기 위해 광학 섬유 근거리 통신망 내에 사용하기에 적합하게 할 수 있다. 수신기(100) 및 송신기(102)로 구성되는 예시적인 LAN 스테이션(98)이 제12도에 도시되어 있다. 결합기(40)의 다중 모우드 광학 섬유(42)는 근거리 통신망용 데이타 버스로서 작용한다. 광학 섬유 버스(42)는 결합기(40)의 출력 광학 섬유(46)을 통해 광학 데이타 수신기(100)에 결합되고, 광학 데이타 송신기(102)는 결합기(40)의 입력 광학 섬유(44)를 통해 광학 섬유 버스(42)에 결합된다. 그러므로, 결합기(40)은 버스(42)상에 전달되는 신호들을 수신기(100)에 광학적으로 결합시킨다. 이와 마찬가지로, 결합기(40)은 송신기(102)에 의해 발생된 신호들을 데이타 버스(42)에 결합시킨다. 송신기(102)로부터 버스(42)에 결합된 광선 부분은 버스(42)로부터 수신기(100)에 결합된 광선 부분에 비해 크므로, 결합기(40)은 비-가역 결합 장치로서 작용한다. 광학 전력의 매우 적은 부분만이 수신기(100)에 결합되기 때문에, 다수의 LAN 스테이션(98)이 광학 섬유 버스(42)를 따라 광학 통신 상에 배열될 수 있다.
본 발명의 결합기(40)의 다른 양호한 용도는 감지기 시스템의 신호들을 공통 복귀 버스상에서 다중 통신하는 것이다. 제13도는 결합기(40)이 특히 유리하게 사용될 수 있는 사다리형 감지기 시스템을 도시한 것이다. 이 형태의 감지기 시스템은 국제광학 섬유 통신지(International Fiber Optical Commuincation Journal), 제2권, (1981년 3월), 27-30페이지에 에이. 알, 넬슨(A.R.Nelson) 및 디. 에이취. 멕마혼(D.H.McMahon)이 쓴 "광학 섬유 감지기 시스템용 수동 다중통신 기술(Passive Multiplexing Techniques for Fiber Optic Sensor Systems)"란 명칭의 논문에 기술되어 있다.
제13도에 도시한 바와 같이, 이 감지기 시스템은 입력 광학 신호를 수신하기 위한 단일 모우드 광학 섬유 입력 버스(110)을 포함한다. 본 발명의 다중 모우드 광학 섬유(42)는 출력 버스로서 작용한다. 일련의 감지기[112(1) 내지 112(n-1)]은 일련의 단일 모우드 분로 광학 섬유[113(1) 내지 113(n-1)]을 통해 입력 광학 섬유 버스(110)으로부터 광선을 수신하기 위해 광학적으로 접속된다. 이 분로 광학 섬유[113(1) 내지 113(n-1)]은 각각의 광학 섬유 방향성 결합기[114(1) 내지 114(n-1)]에 의해 입력 버스(110)에 결합된다. 감지기[112(n)]은 입력 광학 섬유 버스(110)의 단부로부터 직접 광선을 수신하기 위해서 광학적으로 접속된다.
감지기[112(1) 내지 112(n-1)]은 광선을 출력시키기 위해 각각의 분로 광학 섬유[44(1) 내지 44(n-1)]에 광학적으로 접속된다. 이 분로 광학 섬유[44(1) 내지 44(n-1)]은 출력 광학 섬유 버스(42)를 따라 간격을 두고 배치되는 광학 섬유 방향성 결합기([40(1) 내지 40(n-1)]에 광선을 입력시키기 위해 접속된다. 간지기[112(n)]은 광선을 출력시키기 위해 출력 광학 섬유 버스(42)의 단부에 직접 접속된다.
결합기(114)는 분로 광학 섬유(113)을 입력 버스(110)과 나란히 놓음으로써 구성되므로, 광학 섬유(113)은 이들 사이를 미소 결합시키기 위해 광학 섬유(110)과 나란한 관계가 있게 된다. 이후부터, 결합기(114)를 "측방향 결합기"라고 부르겠다. 이러한 측방향 결합기의 구조에 관한 상세한 설명은 "광학 섬유 방향성 결합기"란 명칭의 미합중국 특허 제4,493,528호에 기술되어 있다.
한편, 결합기(40)은 본 발명에 따라 구성되고, 출력 광학 섬유(46)과 이에 관련된 렌즈(56)이 제거된 것을 제외하면 제7도의 결합기(40)과 동일하다. 제13도의 분로 광학 섬유(44)는 제7도의 입력 광학 섬유(44)에 대응한다.
입력 광학 섬유 버스(110)을 통해 전달되는 입력 광선은 결합기(114)에 의해 각각의 감지기(112)에 분배된다. 감지기(12)로 부터 방출되는 광선은 분로 광학 섬유(44)를 통해 결합기(40)으로 전달되는데, 이 결합기(40)에서 이 광선은 출력 버스(42)에 결합된다. 이 배열에 본 발명의 결합기(46)을 사용하는 것은 매우 유리한데, 그 이유는 이것이 감지기(112)로부터의 거의 모든 광선이 출력버스(42)에 결합되게 하기 때문이다.
본 분야에 숙련된 기술자들은 결합기(114)와 같은 측방향 결합기들이 출력 버스를 따라 사용되면, 상당한 광학 전력량이 측방향 결합기의 "유휴단부(dead end)"를 통해 손실된다는 것을 알 수 있다.
상술한 감지기 시스템은 두가지 상이한 형태의 결합기를 사용하지만, 이러한 감지기 시스템은 오로지 본 발명의 결합기들을 사용하여 실시될 수 있다는 것이 명백해진다. 이러한 경우에, 입력 및 출력 광학 섬유 버스들은 다중 모우드 광학 섬유로 되고, 분로 광학 섬유는 단일 모우드 광학 섬유로 된다.
제13도의 감지기 시스템을 상세하게 분석하였다. 이 분석으로부터, 감지기(112) 수의 함수로서 다중 모우드 광학 섬유(42)의 모우드 수를 선택함으로써, 감지기(112)로부터 츨력된 광선을 광학 섬유 버스(42)를 통해 전송하는 것은 감지기 수에 거의 무관하게 실시될 수 있다는 것을 알았다.
이 분석에서, 다중 모우드 버스 광학 섬유는 반경(a) 및 개구수(NA)를 갖고 있는 스텝 인덱스 광학 섬유라고 가정하였다. 또한, 반사경(60)은 광학 섬유 축(49)에 배치되고, 단일 모우드 입력 광학 섬유(44)로부터의 접속 광선의 점(spot) 크기는 반사경 직경(d)에 비해 크므로, 반사경(60)의 조명은 일정하다고 가정하였다.
상술한 바와 같이, 반사경으로부터 반사된 광선의 에어리 회절 패턴은 1.22λ/d의 각도에서 제1제로를 갖는다. 다중 모우드 광학 섬유(42)의 개구수는 이 각도에 비해 작고, 이에 따라 방사가 광학 섬유(42)의 허용 원추내에서 거의 일정하므로, 모우드 그룹들은 각각의 그룹내의 모우드 수에 비례하여 여기된다고 가정하였다. 이 조건은 다음과같이 표현될 수 있다.
1.22λ/d＞＞NA (8)
또한, 다음의 관계는 공지되어 있다.
K=2π/λ (9)
그러므로,
1.22λ/d＞＞dKNA/2π (10)
식(9)는 다음과 같이 다시 표현될 수 있다.
1.22π＞＞dKaNA/2a (11)
또한, 다음의 관계는 공지되어 있다.
Figure kpo00004
그러므로,
Figure kpo00005
다중 모우드 광학 섬유 내의 모우드 수는 다음 식에 의해 V-수에 관련된다.
Figure kpo00006
그러므로,
Figure kpo00007
원형 애퍼츄어의 경우[이 경우, 반사경(60)]의 회절 세기에 대한 공식은 단일 모우드 광학 섬유로부터 다중 모우드 광학 섬유로 전송된 전력 부분이 같다는 것을 나타낸다.
Figure kpo00008
여기서, R은 반사경(60)에 의해 실제로 차단되어 반사된 입사 전력 부분을 나타내는 상수이다.
반사경(60)의 존재로 인해 다중 모우드 광학 섬유(42)로부터 결합되어 나오는 광학 전력량은, 광학 전력이 모든 모우드에 고르게 분포되어 있다면, 다중 모우드광학 섬유(42)의 코어 면적에 비교된 반사경(60)의 면적에 의해 결정된다. 그러므로, 다중 모우드 광학 섬유(42)를 통과한 광학 전력 부분(즉, 반사경(60)의 한쪽에서 다른 쪽으로 지날 때의 광학 전력의 효율]은 다음과 같이 된다.
Figure kpo00009
제13도에 도시한 바와 같은 n개의 감지기의 사다리 구조물에서, 최종 감지기 바로 전의 감지기[즉, 감지기 번호(n-1)]는 최저 전송률을 갖는데, 그 이유는 이 감지기로부터의 광선이 n-2개의 결합기(40, 제13도)을 통해 결합되어야 하기 때문이다.
감지기(n-1)로부터 전송된 전력 부분은 다음과 같이 된다.
Figure kpo00010
식(18)을 d/2a에 관하여 초대화시킴으로써, 감지기 번호(n-1)로 부터의 최대 전송률은 반사경 직경(d)가 다음 식에 의해 광학 섬유 반경(a)에 관련될 때 달성된다는 것을 알았다.
Figure kpo00011
식(19)를 식(16)에 치환시키면, 다음과 같이 된다.
Figure kpo00012
마지막으로, 식(20) 및 식(21)을 식(18)에 치환시키면, 감지기 번호(n-1)로 부터의 전송률은 다음 식에 의해 감지기 총수(n) 및 광학 섬유 모우드 수(M)에 관련된다.
Figure kpo00013
감지기 수(n)이 크기 되면, 식(22)는 다음과 같다.
Figure kpo00014
정의에 의해 식(23)이 1보다 클 수 없기 때문에, 이 식은 변수 M에 제한을 받게 된다. 식(19)와 함께 부동식(13)으로부터, 식(23)은 다음 제한이 모우드 수(M)에 적용될 때에만 유효하다는 것을 알 수 있다.
Figure kpo00015
식(23)은 감지기 수(n)이 증가할 때, 비 M/n이 일정하도록 광학 섬유 모우드 수(M)을 증가시킴으로써만 감지기 번호(n-1)로 부터의 전송률이 일정한 값으로 유지될 수 있다는 것을 나타낸다. 이것은 본 발명의 결합기(40)을 사용함으로써 감지기 번호(n-1)로부터 광학 섬유 버스(42)의 출력 단부로 전달되는 광선부분이 감지기 수에 영향을 받지 않을 수 있음을 시사한다. 그러나, 실제로, 광학 섬유의 분산 필요 조건을 모우드 수에 상한치를 설정할 수 있다.
근거리 통신망의 버스 상의 송신기/수신기 스테이션의 경우에 유사한 분석이 시행될 수 있다. 그러나, 분석 결과는 거의 동일하게 된다. 또한, 반사경 직경, 코어 반경 및 모우드 수 사이의 양호한 관계를 정하는 식(19)는 근거리 통신망 뿐만 아니라 감지기 시스템에 사용하기에 적합하다.
상술한 분석에서는, 단일 모우드 과학 섬유(44)로 부터의 집속 광선의 점 크기가 반사경 직경(d)에 비해 크고, 다중 모우드 광학 섬유의 허용각이 반사경으로부터 반사된 광선의 회절 패턴의 주 로브의 각 범위에 비해 작다고 가정하였다. 이 가정은 다준 모우드 광학 섬유의 모우드들 사이에 광선 전력을 고르게 분포시키기 위해 채택하였다. 그러나, 동일한 가정은 입력 광학 섬유로부터 다중 모우드 광학 섬유로부터 다중 모우드 광학 섬유 버스로의 결합손실을 발생시킨다. 실제로, 모우드들 사이에 광학 전력을 어느 정도 고르지 않게 분포시킴으로써 결합손실을 줄이는 절충안이 채택될 수도 있다.이 절충안은 실험 방법을 사용하거나 이론적 분석에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 양호한 제조 방법에서, 다중 모우드 버스 광학 섬유는 먼저 석영 블럭(50)의 구멍내에 삽입되어, 상술한 바와 같이 적합한 접착제에 의해 접착된다. 그 다음, 블럭(50)은 단부면(120,122,제7도)를 형성하기 위해 광학 섬유 축(29)에 대하여 45˚의 각도로 절단된다. 단부면(120,122)는 연마되고, 작은 금속 또는 유전체 반사경이 종래의 증착 및 사진 석판 기술을 사용하여 코어의 중심부내에 피착된다. 2개의 반쪽 블럭의 단부면(120,122)는 광학 섬유 스플라이스(splice)를 통한 손실을 최소화시키도록 조정된 후에 함께 접착된다. 그 다음 렌즈(52,56) 및 단일 모우드 광학 섬유(44,46)은 상술한 바와 같이 블럭(50)상에 장착된다.
다른 반사경 제조 방법은 광학 섬유 제조 공정 중에 금속구(sphere)와 같은 반사 물체를 유입시키는 것이다. 예를들어, 내부 화학 증착 공정이 사용되면, 다수의 금속구들이, 붕괴되기 전의 예형내에 유입될 수 있다. 광학 섬유를 인발한 후, 구를 함유하는 영역은 확인될 수 있고 광학 섬유는 적당한 길이로 절단될 수 있다. 이 광학 섬유 편들은 석영 블럭과 같은 장착 구조물 내에 장착될 수 있다. 이 제조 공정은 광학 섬유가 절단되지 않고 반사경 피착 공정이 제거된다는 점에서 유리하다. 구 표면이 평면 반사경 만큼 효율적인 반사경을 제공하지는 못하게 되지만, 그럼에도 불구하고, 이 기술은 결합 손실이 허용될 수 있는 경우에 응용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1광학 섬유, 제2다중 모우드 광학 섬유, 및 상기 다중 모우드 광학 섬유의 코어보다 상당히 작고 상기 다중 모우드광학 섬유의 코어내에 배치되며 상기 제1광학 섬유와 제2광학 섬유 사이에 광학 통신을 제공하도록 배치된 반사기로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사기가 상기 제1광학 섬유로부터 광선을 수신하고 상기 제2다중 모우드 광학 섬유내로 전달하기 위해 광선을 반사시키도록 배치된 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반사기가 상기 다중 모우드 광학 섬유내에서 전달되는 광선의 적은 부분만을 차단시키는 크기로 되어 있고 상기 제1광학 섬유내에 전달하기 위해 상기 다중 모우드 광학 섬유로 부터의 광선을 상기 제1광학 섬유로 반사시키도록 배치된 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 다중 모우드 광학 섬유가 다수의 모우드 그룹들, 반사기 및 상기 다수의 모우드 그룹들의 거의 전부가 반사광으로 여기되도록 상대적으로 크기가 정해진. 상기 다중 모우드 광학 섬유의 전반사 여각을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반사기 및 상기 다중 모우드 광학 섬유의 전반사 여각이 각각의 상기 모우드 그룹내의 모우드 수에 비례하여 반사 광선이 상기 다중 모우드 광학 섬유의 상기 다수의 모우드 그룹들 사이에 분포되도록 상대적으로 크기가 정해져 있는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1광학 섬유가 일반적인 가우스 분포를 갖는 에너지 분포로 광선을 전달하는 단일 모우드 광학 섬유인 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 반사기가, 상당히 균일하게 조명되도록 상기 에너지 분포의 피이크내에 있는 상기 제1광학 섬유내에서 전달되는 광선 부분(EP)만을 수신하는 크기로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  8. 제1항에 있어서, 제3광학 섬유를 포함하고, 상기 반사기가 상기 제3광학 섬유와 상기 제2다중 모우드 광학 섬유 사이에 광학 통신을 제공하는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 반사기가 상기 제1광학 섬유로 부터의 광선을 상기 다중 모우드 광학 섬유내에 전달하기 위해 상기 다중 모우드 광학 섬유로 반사시키도록 배치된 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1광학 섬유와 제2광학 섬유 사이에서 전달되는 광선을 집속시키기 위해 상기 제1광학 섬유와 제2광학 섬유 사이에 배치된 렌즈를 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반삭기가 평면 반사경으로 구성된 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 반사기가 원판형으로 되어 있고 양쪽면에 반사 표면을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2광학 섬유가 서로에 대하여 소정의 각도로 배치된 중심 종축을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 각도가 약 90°인 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제2다중 모우드 광학 모우드 광학 섬유가 스텝 인덱스 다중 모우드 광학 섬유로 구성된 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 반사기가 전 반사성인 표면을 갖고 있어서 모든 입사 광선이 반사되는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  17. 제1항에 있어서, 상기 다중 모우드 광학 섬유가
    Figure kpo00016
    (여기서, a는 다중 모우드 광학 섬유의 코어 반경이고, n은 반사기 수이다)와 거의 동일한 직경(d)를 각각 갖고 있는 다수의 반사기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기.
  18. 한쌍의 단부면을 제공하도록 종축에 대하여 소정의 각도로 다중 모우드 광학 섬유를 쪼깨는 단계, 상기 다중 모우드 광학 섬유의 코어 직경에 비해 작은 반사 표면을 단부면들 중의 한 단부면상에 피착시키는 단계, 및 상기 단부면들을 함께 배치시키는 단계를 특징으로 하는 광학 섬유 결합기 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기의 쪼개는 단계를 실행하기 전에 지지 구조물 내에 상기 다중 모우드 광학 섬유를 장착시키는 단계를 특징으로 하는 광학 섬유 결합기 제조 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 각도가 약 45°인 것을 특징으로 하는 광학 섬유 결합기 제조 방법.
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