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KR100803837B1 - 폴리머 광 도파관 - Google Patents

폴리머 광 도파관 Download PDF

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KR100803837B1
KR100803837B1 KR1020037002704A KR20037002704A KR100803837B1 KR 100803837 B1 KR100803837 B1 KR 100803837B1 KR 1020037002704 A KR1020037002704 A KR 1020037002704A KR 20037002704 A KR20037002704 A KR 20037002704A KR 100803837 B1 KR100803837 B1 KR 100803837B1
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KR
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optical fiber
core
core region
polymeric material
light restricting
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KR1020037002704A
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시몬 플레밍
이안 바세트
마크 시츠
아이지켈렌보그 마틴 반
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더 유니버시티 오브 시드니
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Abstract

본 발명은 적어도 일부가 폴리머 물질로 구성되어 세로로 확장된 적어도 하나의 광 가이딩 코어 영역(11), 폴리머 물질로 구성되어 세로로 확장된 코어-주변 영역(12), 및 코어 주변 영역내에 위치한 예를 들어, 채널-형상의 홀과 같은, 다수의 광 제한 요소(15)를 갖는 광 섬유 형태(10)의 광 도파관에 관한 것이다. 상기 광 제한 요소는 중심의 세로 방향으로 확장되어 상기 코어 영역 주위에 분포되어 있고, 적어도 다수의 광 제한 요소는 코어-주변 영역을 구성하는 폴리머 물질보다 낮은 굴절율을 갖는다. 상기 광 도파관의 제조에 사용되는 예형을 또한 개시한다.
도파관, 폴리머, 광 섬유, 굴절율, 광 제한 요소

Description

폴리머 광 도파관{Polymer optical waveguide}
본 발명은 폴리머 광 섬유 형태인 광 도파관에 관한 것이다.
폴리머 광 섬유는 적은 비용, 광 대역폭(bandwidth), 설치가 간편한 도파관 때문에 잠재적인 적용분야를 갖는 것으로 인식되고 있다. 이러한 특징은 비교적 짧은 길이의 고속 자료 전송 라인(line), 일반적인 지역 네트워크(network) 및 거주 신호 전송 적용 분야의 사용에 매우 적합하게 한다. 또한, 폴리머 광 섬유는 적색 파장 및 적외선 근처 파장의 광 전송에 이용할 수 있고, 이는 비교적 저렴한 광원의 사용을 가능하게 한다.
이렇게 잠재적으로 유익한 특징에도 불구하고, 폴리머 광학 섬유는 대량 생산되지 않는다. 이는 큰 가로광 세기 분포(large transeverse intensity profile)("스팟(spot) 크기")에 대한 요구 및 현재 제조 기술에 의해 부과된 결과적인 제약이 주된 이유이다. 큰 스팟 크기 섬유는 특히 폴리머 광 섬유의 적용 분야에서 비교적 단순한 결합 및 연결을 가능하게 하기 위해 요구된다.
전통적인 계단형 굴절율(step index)을 갖는 폴리머 광 섬유는 큰 스팟 크기로 인발할 수 있고, 이는 상기 섬유를 저렴하게 설치할 수 있도록 한다. 그러나, 이러한 섬유는 매우 큰 통합(intermodal) 분산을 나타낸다.
단일 모드(mode) 폴리머 광 섬유는 생산하기 어렵고, 어떤 경우에는, 매우 작은 모드-크기가 섬유의 적용 분야를 제한한다.
언덕형 굴절율(graded-index) 폴리머 광 섬유를 생산하기 위해 요구되는 기술은 매우 복잡하고 상업적인 수준에서 섬유 생산의 고유 비용이 매우 높다.
실용적인 큰 스팟 크기, 단일 모드 폴리머 광 섬유는 알려진 제조 기술을 사용하여 생산하는 것이 거의 불가능한 것으로 알려져 왔다.
-발명의 요약-
본 발명의 첫번째 목적에 따르면, 적어도 일부가 폴리머 물질로 구성되어 세로로 확장된 적어도 하나의 광 가이딩(guiding) 코어(core) 영역, 적어도 하나의 코어 영역을 둘러싸고 있는 단일한 폴리머 물질체로 구성된 클래딩 영역, 단일한 폴리머 물질체내에 형성되는 적어도 하나의 코어 영역을 따라 확장된 다수의 광 제한 요소, 및 여기서 적어도 대부분의 상기 광 제한 요소는 단일한 폴리머 물질체보다 낮은 굴절율을 나타내는 것을 포함하는 광 섬유를 제공한다.
일 실시예에서, 단일한 폴리머 물질체는 적어도 코어 영역의 일부를 구성하고 있는 폴리머 물질로 구성된다.
그러나, 제조과정에서, 코어 및 단일한 폴리머 물질체는 다른 폴리머 물질로 구성될 수 있거나 또는 동일 또는 다른 굴절율을 나타내는 다르게 도핑된 폴리머 물질로 구성될 수 있다.
코어 및 단일한 폴리머 물질체의 형성을 위해 동일한 폴리머 물질을 사용함에 따라, 섬유의 형성(압출성형 또는 예형으로 부터 인발)이 종래 방법에 비해 단순화되고, 필요한 광학 특성을 갖는 섬유를 편리하게 인발 또는 압출성형할 수 있다. 또한, 통상적인 코어-및-클래딩(cladding) 또는 언덕형 구조(graded structure)의 형성에 대한 선택적인 방법으로, 단일한 폴리머 물질체 내에 광 제한 요소를 배치함으로써, 폴리머 광 섬유를 제조시의 이전에 언급한 제약이 줄어든다.
단일한 폴리머 물질체에 낮은 굴절율의 광 제한 요소를 제공하여, 그것의 부피를 통한 평균 굴절율이 코어 영역보다 낮게 나타나게 되어 코어 영역에서 탁월하게 광을 제한하는 기능을 한다.
상기 광 제한 요소는 세로로 확장된 채널-형상의 홀(hole)의 형태일 수 있다.
상기 세로로 확장된 채널-형상의 홀은 특별한 필요조건에 따라 비워져 있거나, 공기로 차 있거나 또는 다른 유체(액체 또는 가스)로 채워질 수 있다. 그러나, 일부 또는 모든 광 제한 요소는 유리 또는 코어 영역 및/또는 단일한 폴리머 물질체로 둘러싸인 영역보다 낮은 굴절율을 갖는 폴리머 물질과 같은 고체 물질의 단섬유를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 적어도 일부의 광 제한 요소는 원형의 단면을 갖는다.
적어도 일부의 광 제한 요소는 타원형의 단면을 갖을 수 있다.
적어도 일부의 광 제한 요소는 아치형의 단면을 갖을 수 있다.
적어도 일부의 광 제한 요소는 다각형의 단면을 갖을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광 제한 요소는 대칭형으로 코어 영역 주위에 분포된다.
일 실시예에 있어서, 광 제한 요소는 코어 영역의 세로 축 주변에 동심으로(concentrically) 분포된다.
상기 광 제한 요소는 원형의 동심 배열로 코어 영역 주위에 분포될 수 있고, 각각의 요소로 둘러싸인 단면부는 코어 영역의 세로축으로 부터 반경에 따라 증가한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 제한 요소는 다각형의 동심 배열로 코어 영역 주위에 분포될 수 있고, 각각의 요소로 둘러싸인 단면부는 코어 영역의 세로축으로 부터 반경에 따라 증가한다.
상기 광 제한 요소는 주기적인 격자-같은 구조로 코어 영역 주위에 분포될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광 제한 요소는 단일한 폴리머 물질체의 적어도 30부피%를 차지한다.
상기 주기적인 격자-같은 구조는 단일한 폴리머 물질체에 광자성 밴드갭(bandgap)을 생성할 수 있는 형태로 설계될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 코어 영역은 단일한 폴리머 물질체보다 낮은 굴절율을 나타낸다.
코어 영역은 공동(hollow) 코어 부분을 포함할 수 있다.
코어 영역은 전체가 폴리머 물질로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광 섬유는 외부 보호 슬리브(sleeve) 또는 시스(sheath)를 포함한다.
상기 외부 보호 슬리브 또는 시스는 단일한 폴리머 물질체와 다른 물질로 구성될 수 있다.
본 발명의 두번째 목적에 따르면, 적어도 일부가 폴리머 물질로 구성되어 세로로 확장된 적어도 하나의 코어 영역, 단일한 폴리머 물질체로 구성되어 세로로 확장된 코어-주변 영역, 적어도 하나의 코어 영역을 따라 확장되고, 단일한 폴리머 물질체내에 형성된 다수의 요소, 및 여기서 적어도 대부분의 상기 요소는 단일한 폴리머 물질체보다 낮은 굴절율을 나타내는 것을 포함하는 광 섬유의 제조용 예형을 제공한다.
본 발명의 세번째 목적에 따르면, 첫번째 목적에서 정의한 광 섬유의 제조용 예형을 제공한다.
본 발명에 의한 광섬유의 선택적인 형태와 바람직한 제조방법을 하기에 기술한다.
첨부된 도면에 인용번호를 제공하여 기술하였다.
도 1 내지 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광 섬유의 횡단면을 나타낸 단면도이다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 광 섬유(10)는 세로로 확장된 광 가이딩 코어 영역(11), 세로로 확장된 코어-주변 영역(12), 및 외부 보호 슬리브 또는 시스(13)를 포함한다. 상기 코어 영역(11)은 인용번호의 편리를 위해 점선의 원(14)으로 나타내었으나, 상기 코어 영역(11)이 분명하게 정의되는 외곽을 갖지 않는 것으로 이 해될 수도 있다.
비록 분명하게 정의되지 않았으나, 코어 영역(11) 또는 보다 정확하게, 가이딩 광의 스팟(spot) 크기는 1㎛ 내지 500㎛ 범위(보다 일반적으로 10㎛ 내지 200㎛)의 직경을 갖고, 코어-주변 영역(12)은 10㎛ 내지 5000㎛ 범위(보다 일반적으로 100㎛ 내지 2000㎛)의 직경을 갖는다. 슬리브(13)는 일반적으로 10 내지 1000㎛의 벽 두께를 갖는다.
본 발명의 바람직한 형태에서 코어 영역(11) 및 코어-주변 영역(12)은 두 부분사이에 어떠한 경계면없이 동일한 폴리머 물질로 형성된다는 점에서 균질하다. 다른 광학적으로 투명한 폴리머 물질, 예를 들어 폴리메틸메타크릴레이트 또는 플루오로폴리머를 포함하는 물질을 코어 및 코어-주변 영역을 형성하는데 사용할 수 있다.
세로로 확장된 채널-형상의 홀의 형태인 다수의 광 제한 요소(15)는 코어-주변영역(12)에 위치하고, 각각의 광 제한 요소(15)는 광 섬유의 전체 길이에 대해 확장된다. 상기 광 제한 요소는 코어 영역(11) 주위에 분포되고(즉, 둘러쌈), 도시한 바와 같이, 코어 영역의 축을 동심으로 갖는 두개의 공통 원 주변에 균일하게 위치한다. 그러나, 섬유의 필요조건 및 가이드 광에 요구되는 스팟-형태에 따라, 광 제한 요소(15)는 원형의 대칭 또는 다른 대칭형으로 위치하지 않을 수 있다. 광 제한 요소는 코어 영역에 광을 제한하기 위해 집단적으로 기능한다.
형성된 광 제한 요소(15)는 보통은 공기로 채워진다. 그러나, 광 섬유에 요구되는 광학 특성에 따라 비워져 있을 수 있고, 다른 유체 또는 실리카, 도핑된 실 리카 또는 폴리머 물질과 같은 고체 물질의 단섬유로 구성될 수 있다.
그들의 형태가 무엇이든지, 다수의 광 제한 요소(15)는 코어(11) 및 코어-주변 영역(12)을 형성하는 물질보다 낮은 굴절율을 나타내야 하며, 따라서 전체 코어-주변 영역은 그것의 부피를 통한 평균 굴절률이 코어 영역(11)보다 낮다.
채널-형상의 홀의 형태일때, 각각의 광 제한 요소(15)는 보통 0.1㎛ 내지 10㎛ 범위의 직경을 갖고, 광 제한 요소(15)는 보통 각 홀의 크기에 따라 2㎛ 내지 20㎛의 중심 공간배치를 갖는다.
도 2 및 도 3은 도 1과 유사한 광 섬유의 단면에 대한 단면도이고 유사한 특성을 식별하기 위해 유사한 인용번호를 사용하였다. 그러나, 도 2의 광 섬유에서, 채널-형상의 홀 형태인 광 제한 요소(15)는 코어-주변 영역(12)의 전체를 통해 균일하게 분포되고 동심원 배열로 배열되었다. 유사하게, 도 3의 광 섬유에서, 광 제한 요소(15)는 코어-주변 영역(12)의 전체를 통해 균일하게 분포되나 동심의 육각형 배열로 배열되었다.
도 4는 광 제한 요소(15, 16, 17 및 18)가 코어 영역 주위에 원형의 동심 배열로 분포되고, 각 배열에서 요소들의 단면부가 코어 영역(11)의 축으로부터 반경에 따라 증가하는 또 다른 폴리머 광 섬유를 나타낸다. 이러한 배열의 이유를 하기에 설명한다.
큰 모드 면적, 단일 모드 광 섬유는 통상적인 단일 모드 섬유보다 밴딩(bending)손실에 더욱 민감한 것으로 알려졌고, 실리카 섬유처럼 이것은 폴리머 광 섬유에 적어도 일부 효과를 적용할 수 있다고 예상하였다. 밴딩 손실은 기하학적 배열 및 기계적 밴딩에 의한 스트레스(stress)로 발생한다. 광 섬유의 기계적인 밴딩은 섬유의 굴절율을 사실상 변형시킨다. 따라서, 기계적인 밴딩은 섬유 물질 상에 스트레스를 가하고, 조성물이 무엇이든지, 중립축(neutral axis)의 내부에 물질을 압축 상태로 놓이게 하고 중립축의 외부에 물질을 팽창 상태로 적재되는 것을 야기한다. 이것은 엘라스토(elasto)-광학 효과를 통한 굴절율 수준의 변화를 야기한다.
어떠한 굴곡의 반경에서, 스트레스에 의해 야기된 굴절율의 변화는 직선 섬유에서 코어 영역 및 코어 주변 영역간의 굴절율 차이처럼 동일한 크기에 도달할 것이다. 이것은 중요한 밴딩 반경이고 광이 더 이상 상기 섬유의 코어 영역에 적절하게 제한되지 않는 최소 한도의 밴딩 반경 이하를 의미한다.
단일 모드 전달을 얻기 위해서, 특히 큰 모드 면적의 경우, 코어 영역 및 코어-주변 영역의 유효 굴절율의 매우 작은 차이가 요구된다. 이것은 섬유가 밴딩 손실에 민감하게 한다.
가장 바람직한 형태인 본 발명은 섬유의 밴딩 손실에 대한 민감성 없이 큰 모드 면적을 사용하는 것을 선택하여 단일-모드 전달이 지속되는 것을 제공한다.
따라서, 도 4에서 나타내듯이, 광 제한 요소(15)의 첫번째 링(ring)은 매우 작은 직경을 갖는 채널-형상의 홀로 구성되고, 상기 홀 크기는 그 다음 채널-형상의 홀의 큰(동심의) 링 내에서 증가한다.
본 발명은 단일 모드 전송을 확보하도록 상기 섬유의 코어 영역(11)에 요구되는 낮은 굴절율 차이의 도파(guiding)를 제공하고, 반면 보다 큰 홀의 외부 링(보다 큰 굴절율 차이를 제공함)은 섬유가 휠 때의 누출을 보호한다. 따라서, 본 발명은 언덕형 굴절율 단일 모드 광학 섬유의 공기-폴리머 미세-구조 버젼(version)으로 간주될 수 있다.
밴딩 손실을 감소하기 위해 도 4에 도시된 배열의 사용에 추가하여, 광 제한 요소로 구성된 채널-형상의 홀의 형태 및 크기는 기계적 스트레스를 감소시키는데 사용할 수 있으며, 동시에 섬유 물질 계수 등급을 맞출 수 있다. 채널-형상의 홀은 일반적으로 홀을 둘러싸고 있는 물질보다 탄성이 높은 매질(예: 진공, 공기 또는 다른 가스)로 채워진다. 따라서, 광 섬유의 밴딩에 기인한 기계적인 스트레스는 홀의 변형에 의해 경감되고, 그 결과 섬유 물질의 굴절율 변화에 의한 스트레스가 감소되고 밴딩 손실도 감소된다.
도 5 및 6의 단면도에 나타낸 광 섬유는 도 4에서 나타난 것의 이형을 설명하고 다른 필요조건을 요구하는 특성을 갖는 광 섬유를 제공한다. 도 5의 섬유 경우, 원형-절단면 채널-형상의 홀인 광 제한 요소)(15)의 가장 내부 링을 제공하나, 이는 타원-형 채널-형상의 홀인 광 제한 요소)(19, 20 및 21)로 둘러싸여 있다. 그러나, 구조는 여전히 원형 대칭이다.
도 5의 배열과 비교하여, 도 6은 X-X 및 Y-Y 축에 대해 다른 대칭을 나타낸다. 코어 영역(11)은 광 제한 요소(15 및 16)의 두 동심원 링으로 둘러싸여 있는데 외부 링은 채널-형상의 홀인 광 제한 요소(17)의 불완전한 링에 의해 부분적으로 싸여있다. 따라서, 두개의 타원형 홀인 광 제한 요소(20)의 제공에 더하여, 두개의 아치-형 채널-형상의 홀인 광 제한 요소(22)를 코어-주변 영역(12)내에 제공한다.
도 7은 본 발명의 특징을 갖는 다른 광 섬유(10)를 보여주며 그 배열은 도 4에서 보여진 것과 외견상 유사성을 갖는다. 그러나, 도 7의 광 섬유의 경우, 각각 코어-주변 영역(12)으로 둘러싸인 두개의 코어 영역(11A 및 11B)이 제공된다. 또한, 각각의 코어 영역(11A 및 11B)은 광 제한 영역(15 및 16)의 내부 링에 의해 둘러싸여 있어, 채널-형상의 홀인 광 제한 요소(17, 18)가 공통 코어 주변 영역(12)내에 위치하여 코어 영역(11A 및 11B)을 공유한다.
도면에 기술한 다양한 광 섬유는 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 단일 폴리머 물질 중심에 위치한 홀을 갖는 단일 폴리머 물질로 제조된 예형으로 부터 인발할 수 있다.
선택적으로, 광 섬유는 압출 성형 과정의 일부에서 필수적인 홀의 효과적인 형성을 위해 준비된 압출 성형 염료로 부터 인발할 수 있다.
하기 청구항의 범주를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 형태의 광 섬유를 제조할 수 있다.

Claims (25)

  1. - 일부 또는 전체가 폴리머 물질로 구성되어 세로로 확장된 하나 또는 2 이상의 광 가이딩 코어 영역,
    - 상기 코어 영역을 둘러싸고 있는 단일한 폴리머 물질체로 구성된 클래딩 영역,
    - 단일한 폴리머 물질체내에 형성된 상기 코어 영역을 따라 확장된 하나 또는 2 이상의 광 제한 요소, 및
    여기서 상기 광 제한 요소는 단일한 폴리머 물질체보다 낮은 굴절율을 나타내는 것을 포함하는 광 섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단일한 폴리머 물질체는 코어 영역의 일부 또는 전체를 구성하고 있는 폴리머 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유 클래딩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광 제한 요소는 세로로 확장된 채널-형상의 홀(hole)의 형태인 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  4. 제3항에 있어서, 상기 홀의 일부 또는 전체는 비어있는 것(evacuated)을 특징으로 하는 광 섬유.
  5. 제3항에 있어서, 상기 홀의 일부 또는 전체는 공기로 채워진 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  6. 제3항에 있어서, 상기 홀의 일부 또는 전체는 공기보다는 유체(fluid)로 채워진 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광 제한 요소의 일부 또는 전체는 고체물질의 단섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광 제한 요소의 일부 또는 전체는 원형의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광 제한 요소의 일부 또는 전체는 타원형의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광 제한 요소의 일부 또는 전체는 아치형의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광 제한 요소의 일부 또는 전체는 다각형의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광 제한 요소는 코어 영역 주위에 대칭형으로 분포되는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광 제한 요소는 코어 영역의 세로 축 주변에 동심으로(concentrically) 분포되는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  14. 제1항에 있어서, 상기 광 제한 요소는 코어 영역 주위에 원형의 동심 배열로 분포되어 있고, 각각의 요소로 둘러싸인 단면부는 코어 영역의 세로축으로 부터 반경에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  15. 제1항에 있어서, 상기 광 제한 요소는 코어 영역 주위에 다각형의 동심 배열로 분포되어 있고, 각각의 요소로 둘러싸인 단면부는 코어 영역의 세로축으로 부터 반경에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  16. 제1항에 있어서, 상기 광 제한 요소는 주기적인 격자-같 구조로 코어 영역 주위에 분포되는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  17. 제16항에 있어서, 상기 광 제한 요소는 단일한 폴리머 물질체의 30% 또는 그 이상의 부피를 차지하는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  18. 제16항에 있어서, 상기 주기적인 격자-같은 구조가 코어-주변 영역에 광자성의 밴드갭(bandgap)을 생성하는 형태로 설계되는 것을 특징으로 하는 광 도파관.
  19. 제18항에 있어서, 상기 코어 영역은 단일한 폴리머 물질체의 것보다 낮은 굴절율을 나타내는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  20. 제19항에 있어서, 상기 코어 영역은 공동(hollow) 코어 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  21. 제1항에 있어서, 상기 코어 영역은 전체적으로 폴리머 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  22. 제1항에 있어서, 상기 광 섬유는 외부 보호 슬리브(sleeve) 또는 시스(sheath)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유.
  23. 삭제
  24. - 일부 또는 전체가 폴리머 물질로 구성되어 세로로 확장된 하나 또는 2 이상의 코어 영역,
    - 단일한 폴리머 물질체로 구성되어 세로로 확장된 코어-주변 영역,
    - 상기 코어 영역을 따라 확장되고, 단일한 폴리머 물질체내에 형성된 하나 또는 2 이상의 요소, 및
    여기서 상기 요소는 단일한 폴리머 물질체보다 낮은 굴절율을 나타내는 것을 포함하는 광 섬유의 제조용 예형.
  25. 제1항에 따른 광 섬유의 제조에 사용되는 예형.
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