KR100322136B1 - 온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터에 관한 것으로, 장주기 격자가 형성된 코아; 코아를 감싸는 클래딩; 장주기 격자가 형성되지않은 부분의 클래딩을 감싸는 코팅부; 및 장주기 격자가 형성된 부분의 클래딩을 감싸며 온도 증가에 따라 굴절률이 증가하는 재질로 코팅되어, 증가된 굴절률에 의한 커플링 파장 이동이 코아 및 클래딩의 굴절률 차에 의한 커플링 파장 이동과 반대방향으로 일어나게하는 리코팅부를 포함함을 특징으로한다.

본 발명에 의하면, 온도 증가에 따라 굴절률이 증가하는 물질로 장주기 격자를 리코팅함으로써 필터내에서 굴절률을 조정하거나 온도에 따른 굴절률 변화가 없게하는 물질을 첨가하는 번거로움이 없이 보다 용이하게 온도보상이 가능하다.

Description

온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터{Temperature-compensated long period optical fiber grating filter}

본 발명은 온도보상 장주기 광섬유 격자 필터에 관한 것이다.

통상적으로 장주기 광섬유 격자 필터는 광섬유의 코아(core)로 진행하는 코아 모드(core mode)를 클래딩 모드(cladding mode)로 커플링(coupling)시키는 소자로서, 반사형태가 아니기때문에 어븀첨가 광섬유 증폭기(EDFA)의 이득평탄화에 커다란 장점이 있다.

이러한 장주기 격자 필터는 자외선에 민감(sensitive)한 광섬유의 코아에 자외선을 주사하여 주기적으로 굴절률 변화를 주어 제작된다. 즉, 자외선에 노출된 부분은 굴절률이 증가하고 그렇지 않는 부분은 변화가 없어 주기적인 굴절률 변화가 발생한다. 이 때 커플링은 다음 식과 같은 위상 정합 조건을 만족하는 경우 일어난다.

여기서, β_co는 코아 모드의 전달 상수(propagation constant)이고,는 m차 클래딩 모드의 전달 상수(propagation constant)이고, Λ는 격자 주기(grating period)이다.

그런데, 수학식 1에서 β= 2πn/λ(여기서, n은 굴절률, λ는 파장)을 대입하면 코아 모드와 클래딩 모드의 굴절률 차는가 된다. 따라서, 어떤 파장의 광을 클래딩 모드로 변경시키려면 격자 주기(Λ)와 굴절률차()를 정하면 된다.

굴절률차는 자외선에 민감한 광섬유에 자외선 레이저를 적절히 감광시켜 얻을 수 있다. 즉, 특정 주기 Λ를 갖는 마스크로 자외선에 민감한 광섬유를 마스킹하고, 마스크 위에 자외선 레이저를 주사하게되면 광민감성 광섬유는 반응하여 코아의 굴절률이 증가하게된다. 굴절률의 증가에 따라 커플링 파장은 장파장쪽으로 증가하게된다. 원하는 장주기 광섬유 격자필터 스펙트럼, 다시 말해서 원하는 커플링 파장과 소광비(extiction ratio)를 얻기 위해서는 마스크 주기를 정확히 조절하여 적정시간동안 자외선 레이저를 주사해야한다.

이렇게 제작된 장주기 광섬유 격자의 커플링 파장은 온도에 의해서도 영향을 받는다. 온도 변화에 따른 커플링 파장의 이동은 온도 변화에 따른 굴절률 변화와 온도 변화에 따른 길이의 열팽창에 의해 결정된다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서, T는 온도를 나타낸다.

일반적인 통신용 광섬유나 분산천이 광섬유(Distribution Shifted Fiber)에 장주기 격자가 제작되는 경우, 수학식 2의 우변 1항에 따른 값은 우변 2항에 따른 값에 비해 수십배 정도 크기 때문에 우변 2항은 고려하지 않는다. 예를 들어, 코닝사의 플렉스코아 1060(Flexcor 1060)의 경우 커플링 파장은 온도 100°C당 5nm정도 이동한다. 전형적인 분산보상 광섬유의 경우 길이 팽창에 의한 커플링 파장의 이동은 온도 100°C당 0.3nm 정도인데 반해 굴절률 변화에 의한 커플링 파장의 이동은 5nm 정도이다. 그러나 실제 응용시스템에서 장주기 광섬유 격자의 응용분야중 하나인 이득 평탄화 필터(dain flattening filter)의 경우 100°C당 0.3nm 정도의 온도안정성을 요구하고 있다.

이러한 온도 보상을 위해 종래에는 수학식 2의부분이 음의 값을 가지도록 필터내의 굴절률을 조절하였다. 다른 방법으로는 장주기 광섬유 격자의 주기를 짧게하여 고차 클래딩 모드를 선택하는 방법이 있다. 또 다른 방법으로는 수학식 2의항을 0으로 만들기위해 B₂O₃을 첨가하는 방법이 있다.

그러나, 이들 방법은 필터내에서 굴절률을 조정하거나 온도에 따른 굴절률 변화가 없게하는 물질을 첨가해야하므로 공정이 복잡하다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 온도 변화에 따른 커플링 파장의 이동을 보상하기위해 온도에 따라 굴절률이 변하여 커플링 파장이 상기 이동 방향과 반대로 이동하게하는 재질의 재료로 코팅되는 장주기 광섬유 격자를 제공하는데 있다.

도 1a는 장주기 광섬유 격자 필터의 구조도이다.

도 1b는 도 1a에 도시된 장주기 격자 필터에서 코아모드가 클래딩 모드로 커플링되는 동작을 도시한 것이다.

도 2a 내지 도 2d는 클래딩 외부의 굴절률 조건에 따라 커플링 피크가 이동하는 현상을 도시한 것이다.

도 3은 클래딩 외부 굴절률에 대한 커플링 파장 이동을 도시한 것이다.

도 4는 클래딩의 외부 굴절률에 따른 커플링 파장의 이동을 도시한 것이다.

도 5a 내지 도 5d는 장주기 격자 필터의 온도보상 메커니즘을 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 온도 보상 장주기 광섬유 격자필터의 구조도이다.

상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 장주기 격자가 형성된 코아; 상기 코아를 감싸는 클래딩; 상기 장주기 격자가 형성되지않은 부분의 클래딩을 감싸는 코팅부; 및 상기 장주기 격자가 형성된 부분의 클래딩을 감싸며 온도 증가에 따라 굴절률이 증가하는 재질로 코팅되어, 상기 증가된 굴절률에 의한 커플링 파장 이동이 상기 코아 및 클래딩의 굴절률 차에 의한 커플링 파장 이동과 반대방향으로 일어나게하는 리코팅부를 포함함을 특징으로한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작을 보다 상세히 설명하기로한다. 도 1a는 장주기 광섬유 격자 필터의 구조도이다. 도 1a에 도시된 장주기 광섬유 격자 필터는 장주기 격자(100)가 형성된 코아(102), 장주기 격자(100)와 코아(102)를 감싸는 클래딩(104) 그리고 클래딩(104)을 감싸는 코팅(106)으로 구성된다.

장주기 격자(100)는 자외선에 민감한 광섬유의 코팅(106)을 제거하고, 자외선 레이저를 소정 주기로 투과시키는 진폭 마스크(미도시)를 통과시켜서 광섬유 코아(102)내에 주기적인 굴절률 변화를 유도함으로써 형성된다.

도 1b는 도 1a에 도시된 장주기 격자 필터에서 코아모드가 클래딩 모드로 커플링되는 동작을 도시한 것이다. 코아(102)로 진행하는 기본 도파 모드(fundamental guided mode, 110)가 굴절률 변화부분(112)을 만나면서 산란된다. 산란된 광(114)이 클래딩(104)으로 커플링됨에 따라 위상 정합 조건을 만족하는 파장의 광은 코히런트하게(coherently) 보강된다. 이러한 파장을 갖는 광이 클래딩 외부으로 빠져 나감에 따라 장주기 격자 필터는 파장에 종속하는 감쇠기(wavelength-dependent attenuator)로 동작한다. 도시된 바에 따르면, 기본 도파 모드는 굴절률의 변화부분(112)을 통과하면서 세기가 감소하고, 클래딩(104)으로 커플링되는 파장을 갖는 광의 세기는 점점 증가함을 알 수 있다.

이러한 장주기 격자 필터 제작시 클래딩의 외부 조건은 공기로 굴절률 1의 값을 가지게 된다. 장주기 격자 제조 후, 굴절률이 n인 물질로 클래딩을 코팅하는 경우, 커플링 조건이 달라지게되고 그에 따라 커플링 파장은 장파장 혹은 단파장으로 이동하게된다.

도 2a 내지 도 2d는 클래딩 외부의 굴절률에 따라 커플링 피크가 이동하는 현상을 도시한 것이다. 도 2a는 장주기 격자의 클래딩 외부의 굴절률이 1인 경우의 광 투과 특성을 나타낸 것이다. 소광비가 0dB일 때 손실이 없이 투과된 경우이다. 도 2b는 장주기 격자의 클래딩 외부 굴절률이 1.400인 경우의 투과특성을 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 소광비가 증가하였음을 알 수 있으며, 커플링 파장이 단파장쪽으로 4.8nm정도 이동한 것을 알 수 있다. 도 2c는 외부 굴절률이 1.448인 경우의 투과특성을 도시한 것으로, 커플링 파장이 16.5nm 정도 단파장쪽으로 이동하였음을 알 수 있다. 도 2d는 외부 굴절률이 1.484인 경우의 투과특성을 도시한 것으로, 외부 굴절률이 1인 경우보다 커플링 파장이 장파장쪽으로 이동하고 소광비가 감소함을 알 수 있다.

도시된 바에 따르면, 클래딩 외부 굴절률이 1인 경우를 기준으로할 때, 도 2b 또는 도 2c와 같이 클래딩 외부 굴절률이 증가하되 클래딩의 굴절률보다 작으면 커플링 파장이 단파장으로 이동한다. 그러나, 클래딩 외부 굴절률이 증가하여 클래딩의 굴절률보다 커지면 도 2d와 같이 커플링 파장이 장파장으로 이동함을 알 수 있다. 클래딩 외부 굴절률이 클래딩 굴절률과 같을 경우 전반사 조건이 깨지게 되어 커플링 피크는 사라지게 된다.

도 3은 클래딩 외부 굴절률에 대한 커플링 파장의 이동을 도시한 것이다. 클래딩의 외부 굴절률이 1.0부터 증가함에 따라 커플링 파장이 단파장으로 이동하다가 클래딩의 굴절률과 같아지면 커플링 피크가 사라지고, 다시 클래딩 굴절률보다 커지면 장파장으로 이동함을 알 수 있다.

클래딩의 외부 굴절률을 변화시키기 위해서, 본 발명에서는 장주기 격자가 형성된 부분의 코팅을 벗겨내고, 벗겨낸 부분을 온도에 따라 굴절률이 변하는 재질로 리코팅한다. 이 ??, 리코팅 재료는 온도가 증가함에 따라 굴절률이 증가하되 클래딩의 굴절률보다 작게 증가하는 재질이 적절하다. 굴절률이 증가함에 따라 장주기 격자의 커플링 파장은 단파장으로 이동한다.

만일 온도 증가에 따라 굴절률이 감소하는 재질로 리코팅을 한다면, 장주기 격자의 커플링 파장은 장파장으로 이동하게 된다. 예를 들어, 코닝사의 플렉스코아 1060은 리코팅하지않은 경우 5nm/100°C의 온도 민감성을 보이지만, 실리콘 레진을 리코팅한 경우 10nm/100°C의 온도 민감성을 보인다. 이는 상술한 수학식 2의 우변 1항에 의해 커플링 파장이 장파장으로 이동하는 현상이외에 리코팅재료로 사용한 실리콘 레진의 굴절률이 온도 증가에 따라 감소하기 때문에 나타나는 커플링 파장의 장파장 이동효과가 함께 나타나기 때문이다.

따라서, 온도에 따라 굴절률이 증가하는 코팅 재료를 리코팅 재료로 사용함으로써 원하는 온도보상효과를 얻을 수 있다. 이러한 온도보상 장주기 격자 필터의 코팅 재료로 요구되는 특성은 다음과 같다. 초기 굴절률 값은 클래딩 재질, 즉, 실리카(pure silica)의 굴절률보다 작아야하며, 온도가 증가함에 따라 굴절률이 증가하게되어 커플링 파장을 단파장으로 이동시키는 특성을 가져야한다.

도 4는 클래딩의 외부 굴절률에 따른 커플링 파장의 이동을 도시한 것이다. LP_0l내지 LP_0p는 장주기 격자를 통과하는 광신호의 모드차수이며, 모드 차수는 그래프의 세로축으로 증가한다. 도시된 바에 따르면, 각 모드차수에서 외부 굴절률에따라 커플링 파장이 단파장으로 이동함을 알 수 있다.

도 5a 내지 도 5d는 장주기 격자 필터의 온도보상 메커니즘을 도시한 것이다. 도 5a는 온도에 대한 리코팅 재료의 굴절률 변화 특성을 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 온도가 증가함에 따라 굴절률이 증가함을 알 수 있다. 도 5b는 클래딩의 외부 굴절률에 따른 커플링 파장의 이동을 도시한 것이다. 외부 굴절률이 증가함에 따라 커플링 파장이 단파장으로 이동함을 알 수 있다. 도 5c는 온도에 따른 커플링 파장의 이동을 도시한 것이다. 온도가 증가함에 따라 리코팅 재료의 굴절률이 증가하고, 굴절률이 증가함에 따라 커플링 파장이 단파장으로 이동함을 알 수 있다.

도 5d는 온도에 따른 장주기 격자의 온도보상효과를 도시한 것이다. 참조번호 500은 리코팅 재료의 온도에 따른 파장 이동을 도시한 것이다. 502는 온도에 따른 코아 및 클래드간 굴절률 차에 의한 커플링 파장 이동을 도시한 것이다. 504는 500 및 502가 서로 보상됨으로써 온도가 증가하더라도 커플링 파장이 이동하지않음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 온도 보상 장주기 광섬유 격자 필터의 구조도이다. 참조번호 600은 장주기 격자, 602는 코아, 604는 장주기 격자 및 코아를 감싸는 클래딩, 606은 코팅부 그리고 608은 장주기 격자가 형성된 부분의 클래딩을 감싸는 리코팅부이다. 리코팅부(608)의 재질은 상술한 바와 같이 그 굴절률이 클래딩(604)의 굴절률보다 작으며 온도 증가에 따라 증가하는 재질임이 적절하다.

본 발명에 의하면, 온도 증가에 따라 굴절률이 증가하는 물질로 장주기 격자를 리코팅함으로써 온도 증가에 따른 커플링 파장의 이동을 보상할 수 있다. 따라서, 필터내에서 굴절률을 조정하거나 온도에 따른 굴절률 변화가 없게하는 물질을 첨가하는 번거로움이 없이 보다 용이하게 온도보상이 가능하다.

Claims (2)

1. 장주기 격자가 형성된 코아;

   상기 코아를 감싸는 클래딩;

   상기 장주기 격자가 형성되지않은 부분의 클래딩을 감싸는 코팅부; 및

   상기 장주기 격자가 형성된 부분의 클래딩을 감싸며 온도 증가에 따라 굴절률이 증가하는 재질로 코팅되어, 상기 증가된 굴절률에 의한 커플링 파장 이동이 상기 코아 및 클래딩의 굴절률 차에 의한 커플링 파장 이동과 반대방향으로 일어나게하는 리코팅부를 포함함을 특징으로하는 장주기 광섬유 격자 필터.
2. 제1항에 있어서, 상기 리코팅부의 재질은

   온도 증가에 따라 굴절률이 증가하되, 상기 클래딩의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 재질임을 특징으로하는 장주기 광섬유 격자 필터.