KR0155393B1 - 광전력 접속용 광섬유 마이크로렌즈의 제조 과정 - Google Patents

광전력 접속용 광섬유 마이크로렌즈의 제조 과정 Download PDF

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Abstract

단일 모드 광 섬유의 단부상의 비대칭 쌍곡선 마이크로렌즈에 의해 타원형 레이저 비임에의 상기 섬유 접속이 개선된다. 제어된 편심률을 가지고 있는 렌즈는 상기 광 섬유가 포커싱된 레이저 비임에 대해 컴퓨터 제어에 의해 바람직하게 향함에 따라 펄스형 CO2레이저로 상기 광 섬유의 단부를 미세 가공함으로써 제조된다. 90퍼센트-0.75dB)의 접속 효율은 대략 3 대 1의 비임 타원율을 가지고 있는 0.98㎛의 파장에서 단일 횡단 모드 레이저로 실현된다. 유사한 타원형 비임을 가지고 있는 1.48㎛의 멀티모드 레이저로, 비대칭 렌즈는 대칭 쌍곡선 마이크로렌즈상에서 접속 효율을 거의 2dB으 LWMD가시킨다. 대략 120mw가 상기 레이저로부터 단일 모드 섬유에 접속되었다.

Description

광전력 접속용 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법
제1도는 레이저 비임과 단일 모드 섬유의 원형 모드간을 접속하기 위해, 접속 손실(dB) 대 X 및 Y 모드 크기의 비율을 나타낸 도면.
제2도는 광 섬유의 단부에 있는 쌍곡선 마이크로렌즈의 개략도.
제3도는 제2도에 도시된 렌즈로부터 본 발명의 원리에 따라 형성된 비대칭 마이크로렌즈의 개략도.
제4도는 마이크로렌즈를 형성하기 전의 광 섬유의 단부의 개략도.
제5도는 제4도에 도시된 광 섬유의 단부에 본 발명에 따라 생성된 비대칭 쌍곡선 마이크로렌즈의 개략도.
제6도는 광 섬유의 단부상에 비대칭 마이크로렌즈를 생성하기 위한 레이저 미세 가공의 개략도.
제7도는 3:1에 가까운 비임 타원율을 가지고 있는 0.98㎛ 레이저의 인접 필드 출력의 개략도.
제8도는 3:1에 가까운 타원율을 가지고 있는 비대칭 쌍곡선 마이크로렌즈의 인접 필드 출력의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 광 섬유 12 : xyz 변환기
13 : 섬유 고정기 14 : 관통 개구
18 : 레이저 21 : 컴퓨터
[기술 분야]
본 발명은 광 섬유의 단부상에 제조되어 있는 마이크로렌즈에 의해서 광 섬유를 타원형 광 비임에 접속하는 것에 관한 것이다.
[발명의 배경]
대칭 마이크로렌즈는 섬유의 단부에 포커싱될 때 섬유 렌즈의 원주 주변을 점차적으로 삭마(ablate)시키는 펄스형 레이저 비임에 의해서 제조되어 왔다. 본원 명세서의 참고 문헌으로서 1990년 6월 12일자로 에이치.엠.프레스비(H.M.Presby)에게 허여된 미국 특허 제4,932,989호를 참조하자. 이 프레스비의 기술은, 쌍곡선 형상의 마이크로렌즈 섬유를 생성하기 위해서, 참고 문헌인 씨.에이.에드워드스(C.A.Edwards)와 에이치.엠.프레스비에게 허여된 미국 특허 제5,011,254호에서 이용되어 왔다. 90퍼센트 이상의 접속 효율은 씨.에이.에드워스 및 에이치.엠.프레스비 특허에 공개된 기술을 사용해서 제조된 쌍곡선 형상의 마이크로렌즈 섬유에 의해서, 대칭 모드 출력을 가지고 있는 반도체 레이저와 같은 광원으로부터 단일 모드 섬유에 그리고 단일 모드 섬유로부터 검출기에 광을 접속함으로써 달성되었다.
이러한 마이크로렌즈는 비교적 높은 접속 효율을 제공할 수 있지만, 이 마이크로렌즈는 대칭 모드 출력을 가지고 있는 레이저의 경우에만 유용하다. 이러한 레이저에서, 출력 비임은 원형이거나 1:1에 가까운 타원율(ellipticity)을 가지고 있는데, 즉, 상기 레이저의 출력 비임의 발산은 상기 레이저의 접합 평면에 수직인 축과 평행한 축을 따라서 실질적으로 동일하다. 하지만, 다수의 레이저는 레이저 면으로부터 방출되는 타원형의 비임 형상을 가지고 있다. 예컨대, 0.98㎛의 파장으로 펌프(pump)되는 에르븀(erbium) 도핑된 섬유 증폭기를 사용하는 경우에, 현재 이용 가능한 펌프 레이저 다이오드는 일반적으로 2.5:1 이상의 강한 모드 비대칭을 나타낸다. 접속이 유사하게 개선될 수 있는 비원형 출력을 갖고 있는 1.48㎛의 파장으로 에르븀 도핑된 증폭기를 펌프하기 위해서 사용되는 다수의 고전력 레이저 구조가 또한 존재한다.
이러한 레이저를 섬유에 접속하기 위하여 사용되는 대칭 마이크로렌즈를 사용하면 접속 효율이 상당히 감소된다. 이 감소는 제1도에 예시되어 있으며, 이 도면에는 접속 손실(dB) 대 X 및 Y 모드 크기 비가 도시되어 있다. 이 도면은 접속평면에 평행하고 수직인 상이한 비임 발산 각도를 가지고 있는 입사 가우시안(Gaussian) 레이저 비임과 단일 모드 섬유의 원형 모드간의 접속을 고려함으로써 얻어진다. 이 도면으로부터, 예컨대, 3:1의 비임 비대칭은 상기 섬유에 접속할 때 2dB 이상의 손실을 가지고 있음을 알 수 있다.
단일 모드 섬유에 접속된 유용한 펌프 전력은 타원형 비임 형상을 가지고 있는 레이저와 상기 섬유사이에 효율적인 접속을 제공하는데에 따르는 어려움으로 인해 일반적으로 엄격하게 제한된다. 상기 에드워드스 및 프레스비의 쌍곡선 형상의 마이크로렌즈는 비임 절단(beam truncation) 및 구형 수차(spherical aberration)와 같은 기타 다른 인자로 인한 손실을 제거하거나 적어도 줄일 수 있지만, 대략 3:1의 편심률(eccentricity)을 가지고 있는 타원형 비임에 대해서는 대략 2dB의 접속 손실은 여전히 남아 있다. 대칭 마이크로렌즈를 사용하여 상기 타원형 레이저 비임과 상기 섬유사이에서 실현된 최대 접속 효율은 단지 50퍼센트 정도이며, 이때, 25 내지 35퍼센트가 보다 일반적이다. 상기 레이저 출력의 1/2 정도는 사용되지 않으므로, 상기 레이저는 보다 효율적인 접속 기술이 제공하는, 동일한 전력을 섬유에 접속하기 위해서 보다 높은 전류로 구동되어야 함을 의미한다. 보다 높은 전류로 레이저를 구동하면 보다 많은 열이 손실되고 상기 레이저 자체의 장기간 동안의 안정성과 신뢰성에 문제가 제기된다.
비대칭 렌즈를 가지고 타원형 비임을 접속하는 것을 증가시키려는 시도가 외부에 장착된 원통형 렌즈와 쐐기 형상의 섬유 단면의 형태로 제안되어 왔다. 엠.사루와타리(M. Saruwatari) 등의 단일 모드 섬유 접속기에 대한 반도체 레이저(Applied Optics, Vol. 18, No. 11, 1979, 페이지 1847-1856)와, 브이.에스.사(V.S.Shah) 등의 쐐기 형상의 섬유 단면을 이용하여 980nm의 광대역 레이저로부터 단일 모드 섬유에 효율적으로 전력 접속하기(J. Lightwave Technology, Vol. 8, No. 9, 1990, 페이지 1313-1318)를 참조하자. 후자의 경우에, 상기 쐐기 형상은 원통형 렌즈에 가깝고 그리고 47퍼센트의 접속 효율이 얻어졌다.
확실히, 최적의 접속을 위해 필요한 것은 원형 단일 모드 섬유의 모드를 매칭시키기 위해서 타원형의 레이저 출력을 변환하는 비대칭 마이크로렌즈이다. 그러므로, 효율적이고 제어가능하게 재현할 수 있는 방법으로 비대칭 마이크로렌즈를 제조할 수 있으면 바람직하다.
[발명의 개요]
본 발명은 광 섬유상에 비대칭 마이크로렌즈를 제조하는 방법 및 장치를 구현한다. 길이 방향 축을 중심으로 해서 회전되는 광 섬유의 단부에 대해 펄스 레이저 비임의 삭마 및 가열 작업이 행해진다. 상기 펄스 레이저 비임은 상기 광 섬유의 길이 방향 축에 수직인 2개의 직교축중 하나의 축을 따라 원주 주변을 먼저 제거하며, 따라서 타원형의 단면을 가지고 있는 비대칭 마이크로렌즈가 생성된다. 이 절차로 90퍼센트의 접속 효율이 얻어졌다.
상기 비대칭 마이크로렌즈는, 길이 방향 축에 수직인 2개의 직교축중 하나의 축의 대향 단부를 따라 그리고 이 대향 단부에 우선적으로 레이저 비임에 의해서 밑에 놓인 재료를 가열하고 표면을 삭마함으로써, 광 섬유의 단부에 형성된다. 상기 마이크로렌즈의 곡률 반경은 소정의 이동 시퀀스로 상기 광 섬유를 상기 비임에 수직으로 이동시킴으로써 결정된다.
[상세한 설명]
예컨대, 타원형 모드(elliptical mode)를 가지고 있는 레이저와 원형 모드(circular mode)를 가지고 있는 섬유사이에서, 타원형 광 비임 대 섬유의 높은 접속 효율을 실현하기 위해서, 레이저 다이오드의 타원형 모드는 원형 단일 모드 섬유의 모드와 매칭되어야 한다. 단일 모드 섬유의 단부상에서 비대칭 마이크로렌즈를 직접 제조함으로써, 비대칭 모드 특성을 가지고 있는 레이저, 광 검출기, 변조기 등과 같은 디바이스와의 높은 접속 효율을 달성할 수 있다. 본 발명에 따라 단일 모드 섬유의 원형 모드에 상기 디바이스의 타원형 모드를 매칭시킴으로써, 접속 효율이 크게 증가될 수 있다. 예컨대, 0.98㎛ 레이저의 타원형 비임으로부터의 광의 90퍼센트 이상이 단일 모드 섬유에 제공될 수가 있다. 타원형 비임을 가지고 있는 멀티모드 1.48㎛ 레이저와의 섬유의 접속 효율을 2dB 만큼 증가시키는 것도 또한 동일한 렌즈 형성 방법으로 가능하다. 이들 결과는 보고된 다른 접속값보다 양호한 대략 2의 인자(factor)이다.
본 발명의 원리에 따라, 비대칭 렌즈는 대칭 렌즈의 형성을 위해 사용된 배열과 유사한 배열을 가지고 제조된다. 예컨대, 미국 특허 제4,932,989호 또는 미국 특허 제5,011,254호를 참조하자. 마이크로렌즈가 설치될 상기 광 섬유는 펄스형 CO2레이저의 회절 제한된 포커싱 비임을 가로 질러 조금씩 이동하는 xyz 마이크로처리기(micromanipulator)에 의해 지지되어 있는 정밀 모세관내에서 회전한다. 비대칭 마이크로렌즈가 형성될 수 있도록, 길이 방향 축을 중심으로 회전하는 광 섬유의 단부에 대해서 펄스형 레이저 비임 작업이 행해진다. 상기 펄스형 비임은 상기 섬유의 직교축중 하나의 대향 단부를 따라 그리고 이 대향 단부에서 원주 주변을 우선적으로 삭마하며, 따라서 상기 직교충중 다른 직교축을 따라 상기 섬유의 나머지 부분의 타원형 단면이 생성된다. 비대칭 삭마를 달성하기 위해서, 펄스형 레이저 비임은 원하는 편심률과 곡률 반경에 따라 선택된 원주 각도 위치(0° 및 180°)를 따라 펄스 지속 기간을 가지고 상기 광 섬유의 길이 방향 축에 수직으로 상기 광 섬유에 제공되는 것이 중요하다. 선택된 상기 펄스는 삭마를 위해 충분한 세기와, 상기 광 섬유의 단부상의 원하는 곡률 반경을 가열함으로써 생성하기에 충분히 짧은 지속 기간을 가지고 있어야 한다.
0도와 180도의 회전 위치를 따라 실질적으로 삭마를 행함으로써, 상기 마이크로렌즈는 제3도 및 제5도에 예시도니 바와 같이 타원형 단면 영역을 나타낸다. 원하는 편심률은 상기 렌즈에 의해 생성된 광 분포를 측정한 후에, 접선 평면을 따라 상기 펄스형 비임에의 상기 렌즈의 노출 각도를 변경시킴으로써 경험적으로 결정될 수도 있다. 타원의 장축과 같은 하나의 직교축을 따라 우선적인 삭마에 의해 형성된 단면 영역의 편심률은 상기 섬유의 단부상에 형성되어 있는 상기 마이크로렌즈위 편심률을 결정한다. 이는 상기 섬유의 단부상에서 동시에 행해지는 삭마 및 가열에 의해서, 설정된 단면 영역에 비례하며 Z축을 따라 상기 섬유의 코어와 말단이 절단 및 용해되기 때문이다.
일실시예에서, 상기 섬유에는 제2도에서 도시된 바와 같이 상기 섬유의 단부에 대칭 마이크로렌즈가 먼저 형성된다. 이 대칭 마이크로렌즈가 일단 형성되었으면, 상기 섬유의 회전이 정지됨과 동시에, 상기 레이저 비임은 디액티브된다. 상기 레이저 비임이 다시 액티브된 후에, 하나의 접선 평면을 따라서 상기 대칭 마이크로렌즈의 표면이 삭마될 수 있도록 상기 펄스형 레이저 비임의 단면 모서리에 상기 광 섬유를 점차적으로 노출시키기 위해서, 상기 광 섬유는 상기 비임에 대해 위치되어 점차적으로 이동한다. 그후, 상기 섬유가 제1삭마 위치로부터 정확하게 180도의 위치로 회전한 다음에, 대향된 접선 평면이 유사하게 미세 가공되며, 따라서 화살 모양의 평면의 곡률 반경과 접선 평면의 곡률 반경사이에 편심률을 가지고 있는 비대칭 마이크로렌즈가 생성된다(제3도 참조). 상기 펄스형 레이저의 단면 모서리에 노출되는 정도는 원하는 렌즈 편심률, 즉, 비대칭성을 얻을 수 있도록 선택된다. 상기 렌즈는 분명히 비대칭 형상을 나타내지만, 상기 렌즈의 각각의 표면 외형은 쌍곡선 형상이다.
제4도와 제5도에 개략적으로 나타낸 다른 실시예에서는, 광 섬유가 자신의 길이 방향 축을 중심으로 회전하고 있을 때에 비대칭 마이크로렌즈가 상기 광 섬유상에 직접 제조된다. 원하는 타원형 단면 영역, 즉, 상기 마이크로렌즈의 편심률을 실현하기 위해서, 펄스형 레이저 비임이 상기 섬유의 0° 회전 위치와 180°회전 위치와 같은 180° 간격의 각각의 회전 동안에 액티브된다. 상기 섬유가 상기 레이저 비임의 단면 모서리에 대해 위치하여 점차적으로 이동하는 경우에는, 제5도에 도시된 바와 같이, 타원형의 단면 영역을 미세 가공함으로써 원하는 비대칭이 달성된다.
제6도에는 본 발명의 원리에 따라 단일 모드 광 섬유(11)의 단부에 비대칭 마이크로렌즈를 제조하기 위한 장치(10)의 실시에가 도시되어 있다. 회전 센서와 xyz 변환기를 사용한다는 점을 제외하고, 상기 장치는 본 출원의 참고 문헌인 미국 특허 제4,932,989호 및 제5,011,254호에 설명되어 있는 장치와 유사하다.
상기 장치(10)는 섬유(11)를 미리 선택된 증분, 예컨대 0.1㎛만큼 3차원에서 진행시키기 위한 정밀 xyz 변환기(12)를 포함하고 있다. 섬유(11)는 섬유 고정기(13)에 의해 변환기(12)에 고정되어 있다. 섬유 고정기(13)에 길이 방향으로 형성되어 있고 원형 단면을 가지고 있는 관통 개구(14)에 섬유(11)를 삽입할때에, 변환기(12)에 의해서 섬유(11)는 수평으로, 수직으로, 또는 이들의 벡터 조합된 방향으로 이동할 수 있다. 상기 변환기(12)는 변환기 제어기(15)에 의해서 수동적으로 또는 컴퓨터(21)를 통해 프로그래밍적으로 제어될 수도 있다.
블록(16)으로 개략적으로 도시된 적절한 회전 디바이스에 섬유(11)를 장착함으로써, 상기 섬유(11)는 길이 방향 축을 중심으로 해서 10rpm 내지 1000rpm 범위의 회전 속도로 회전할 수 있다. 상기 회전 디바이스는 예컨대, 미세 선반(microlathe)으로 구동되는 척(chuck) 등으로 기술 분야에 잘 알려져 있다. 상기 광 섬유(11)의 비교적 짧은 단부가 상기 섬유 고정기(13)로부터 돌출될 수 있도록, 광 섬유(11)의 자유 단부(free end portion), 즉 단면(end facet)(17)이 개구(14)를 통과한다. 상기 고정기로부터 돌출된 상기 광 섬유의 길이는 광 섬유(11)의 단부에 마이크로렌즈를 형성할 수 있도록 하기에 충분할 정도로 길어야 하지만, 펄스형 레이저(18)에 의한 삭마 동안에 회전의 편심을 회피할 수 있도록 충분히 짧아야 한다. 적절한 길이는 대략 1mm에서 수 mm의 범위내이다. 회전 동안에 광 섬유(11)의 비틀림을 회피하기 위해서, 자유 회전이 상기 광 섬유와 관통 개구(14)의 내벽사이에서 과도한 마찰 없이 행해질 수 있도록 하기 위해서 관통 개구(14)의 직경이 선택되어야 한다. 일반적으로, 관통 개구(14)의 내경은 섬유(11)의 직경보다 최고 2㎛ 길 수 있으며, 따라서 상기 광 섬유의 축의 회전 정확도는 1㎛ 이내이다.
상기 광 섬유(11)와 간격을 두고 배열되어 있는 레이저(18)가 상기 광 섬유(11)의 자유 단부(17)상에 비대칭 마이크로렌즈를 미세 가공하기 위해서 사용된다. 레이저(18)에는 광 섬유(11)의 자유 단부(17)에 레이저 비임(21)을 포커싱하기 위한 적절한 광학 수단(19,20)이 제공되어 있다. 상기 레이저 비임은 상기 광 섬유의 길이 방향 축에 수직으로 상기 광 섬유에 제공되는 것이 바람직하다. 광 섬유(11)의 자유 단부(17)에의 레이저 비임(21)의 양호한 위치 결정은 상기 비임에 대해 변환기(12)를 통해 광 섬유(11)를 이동시킴으로써 달성된다. 블록(22)으로서 개략적으로 도시된 회전 센서가 상기 광 섬유(11)의 회전 위치를 감시한다.
회전 센서로는 기술 분야에서 잘 알려진 다수의 종류를 사용할 수 있다. 이들 센서중에는 레이저 제어기에 연결된 마이크로스위치를 포함하고 있는 센서가 존재한다. 상기 마이크로스위치는 상기 회전 디바이스의 스핀들(spindle)의 회전 동안에, 간격마다, 예컨대, 0° 위치 및 180° 위치에서 액티브되고, 그리고 중간 위치에서 디액티브된다. 액티브 주기와 디액티브 주기의 비에 의해 상기 렌즈의 편심률이 결정된다. 다른 종류의 회전 센서는 상기 회전 디바이스의 스핀들에 부착된 투명 섹터와 불투명 섹터를 가지고 있는 디스크와, 광원으로부터의 광 비임이 상기 디스크의 불투명 섹터에 의해 차단될 수 있도록 배열되어 있는 광원 및 포토셀(photocell)을 포함하고 있다. 상기 포토셀로부터의 신호는 상기 레이저 비임을 턴 온(turn on) 그리고 턴 오프(turn off)시키기 위해 펄스 발생기를 제어한다. 상기 디스크의 투명 섹터와 불투명 섹터의 비에 의해 상기 렌즈의 타원율이 결정된다.
이 실시예에서 상기 마이크로렌즈의 미세 가공은 대략 25와트를 방출하는 밀봉 캐비티형(sealed-cavity)의 RF 도파관 CO2레이저(18)를 사용하여 실현된다. 자외선 형태로 방출을 행하는 엑시머(excimer) 레이저와 같은 기타 다른 종류의 레이저를 사용할 수도 있다. 상기 레이저(18)는 이 레이저에 공지된 방법으로 결합되는 RF 여기(excitations) 신호를 발생하는 외부 전원(도시되지 않음)에 의해 구동되며, 따라서, 상기 레이저 출력은 외부 제어하에서 10μsec만큼 짧은 펄스 시간을 가지고 있는 펄스 형태를 가질 수 있다. 10.6㎛의 상기 레이저 출력은 4X 비임 신장기(expander)를 통해 출력되어, 초점 길이 7.6cm의 아연 셀렌나이드(selenide) 렌즈와 같은 초점 렌즈(20)를 통해 전달될 수 있도록 90도로 편향된다. 포커싱 스폿(focussed spotr) 범위는 직경으로 대략 15㎛이며, 이때 5㎛ 직경에서 에너지 밀도가 최대인 것으로 기대된다. 포커싱 스폿의 중심에서, 전력 밀도는 대략 7.1×10-2-W/㎛2로 계산되었다. 상기 펄스형 레이저 비임은 본원 명세서의 참고 문헌으로 1987년 12월 1일자로 에이치. 엠. 프레스비에게 허여된 미국 특허 제4,710,605호에 설명된 기술에 따라 광 섬유(11)의 주변의 제거 부분(evaporate portions)을 조사하는데에 사용된다. 특히, 상기 레이저 비임의 단면은 상기 광 섬유의 길이 방향 축에 수직인 방향으로 상기 광 섬유의 외부 주변과 마주치며, 이때, 펄스의 세기와 지속 기간은 비대칭 마이크로렌즈가 광 섬유의 단부에 형성될 수 있도록 재증착 없이 상기 광 섬유의 재료를 점차적으로 삭마 및 제거하기 위하여 선택된다.
상기 렌즈의 원하는 편심률을 알고 있는 경우에는, 원하는 타원이 형성될 수 있도록 상기 광 섬유로부터 재료를 제거하기 위하여 상기 레이저 비임에 대한 섬유의 위치 결정과 펄스 지속 기간이 조절될 수 있다. 예컨대, 회전 센서(22)에 의해 결정된 임의의 0° 및 180° 위치에서, 상기 펄스 기간은 광 섬유(11)의 중심 코어로부터 양(2a)을 상기 직교축중 하나의 직교축을 따라 잔류시키기 위해 조절되지만, 0° 위치에 대해서 90° 위치 및 270° 위치의 경우에, 상기 펄스 기간은 상기 직교축중 다른 직교축을 따라 광 섬유(11)의 양(2b)이 상기 코어의 중앙으로부터 잔류할 수 있도록 조절된다. x축을 따라서 상기 정의된 타원은 길이(2a)를 가지고 있지만, y축을 따라 상기 길이는 2b이며, 이때 a는 상기 x 직교축을 따라 상기 타원의 중심에서부터-외부 표면까지의 거리의 1/2이고, b는 y 직교축을 따라 상기 거리의 1/2임에 주의하자. 각도 위치의 중간값을 위해서, 상기 펄스 기간은 원하는 타원율의 렌즈 형상이 잔류할 수 있도록 조절된다. 회전 센서(22)는 적절한 양의 재료가 삭마될 수 있도록 상기 펄스형 레이저 비임에 노출되는 상기 광 섬유의 각도 위치를 연속적으로 감시한다. 상기 정의된 타원형 단면 영역에 의해서, 그 단부상에 형성된 마이크로렌즈의 편심률이 결정된다.
레이저로 미세 가공된 비대칭 렌즈의 접속 효율을 대칭 마이크로렌즈의 접속효율과 비교해 보면, 상기 비대칭 렌즈의 접속 효율이 보다 양호함을 알 수 있다.
이 결과는 주로, 상기 레이저 비임의 모드 편심률이, 형성되어 있는 상기 마이크로렌즈의 곡률 반경의 편심률과 보다 적절히 매칭되기 때문이다. 주입된 레이저 광의 모드 비대칭에 적절히 매칭된 비대칭 마이크로렌즈는 대칭 마이크로렌즈, 예컨대 쌍곡선 형상의 마이크로렌즈에 비해, 최고 2dB만큼 높은 접속 효율을 나타낸다.
제7도에는 이들 접속 실험에 사용되고 있는 0.98㎛ 레이저 다이오드의 인접필드(near-field) 출력의 개략적 표현이 도시되어 있다. 상기 레이저 다이오드는 2.7 대 1의 종횡비를 가지고 있는 타원 형상의 비임을 가지고 있다. 1/e 모드 크기는 2.6㎛×0.96㎛이다. 이 타원율의 경우에는, 이 비대칭으로부터 대략 2dB의 접속 손실이 대칭 마이크로렌즈에 의해 생김을 제1도로부터 알 수 있다.
제8도에는 1.3㎛ 및 1.5㎛의 동작 파장에서 사용될 수 있도록 설계된 표준 광 섬유상에 제조된 렌즈의 인접 필드 출력의 개략적인 표현이 도시되어 있다. 상기 비임의 타원율은 대략 2.7 내지 1이며, 이에 의해 0.98㎛ 레이저의 출력에 대해 우수한 매칭이 제공된다. 이 렌즈에 있어서 84.3퍼센트(-0.74dB)의 접속 효율이 측정되었다. 수집된 전력 모두가 유용한 기초 모드 상태임을 보장하기 위해서 1.06㎛ 파장 컷오프(cutoff)를 가지고 있는 광 섬유상에 제조된 렌즈에 의해서 78.4퍼센트(-1.06dB)의 접속 효율을 얻을 수 있다.
상기 레이저의 전력 출력은 조준된 비임을 제공하기 위해서 상기 레이저에 매우 인접해서 위치하고 있는 하이 인덱스 구형 렌즈(high-index ball-lens)로 모든 출력을 수집함으로써 측정되었다. 120mw의 최대 전력이 상기 비대칭 렌즈를 가지고 있는 단일 모드 섬유의 우세 모드(dominate mode)에서 측정되었다. 상기 측정된 전력 대 전류값은 레이저 제조업자에 의해 독립적으로 측정된 값과 거의 동일하였다. 상기 렌즈의 적절한 축은, He-Ne 레이저 비임을 상기 렌즈에 대향된 ∼1m 길이의 피그테일(∼1m long pigtail)의 단부에 제공함으로써, 상기 레이즈의 축쪽에 맞추어져 있다. 이 회전 배열은 최적의 접속을 위해서는 중요하지 않았다.
고전력 1.48㎛ 레이저 다이오드에 접속될 수 있도록 제조된 렌즈의 출력 비임의 타원율은 0.98㎛ 레이저 다이오드의 타원율과 비슷하였으며, 3:1의 범위를 가지고 있다. 하지만, 이들 레이저의 출력은 상기 0.98㎛ 레이저에서와 같이 단일 모드는 아니었다. 모드 구조가 단일 모드에서와 같이 동일한, 높은 절대 접속 효율을 허용하지는 않지만, 대칭 변화에 관하여 1.48㎛ 레이저로부터 비대칭 쌍곡선 마이크로렌즈에 제공된 전력으로 대략 2dB의 증가가 측정되었다.
이들 접속값은 상기 렌즈상에 어떠한 앤티 반사(anti-reflection) 코팅 없이 얻어졌다. 이러한 코팅은 수십 dB 만큼 접속 효율을 증가시킬수 있으며, 따라서 이용가능한 거의 모든 레이저 광이 포획될 수 있다.
당업자는 추가적인 이점과 수정을 쉽게 행할 수 있다. 그러므로, 보다 넓은 측면에서의 본 발명은 도시 및 설명된 상세한 설명, 대표적인 디바이스 및 예에 한정되지 않는다. 따라서, 각종 변형이 첨부된 청구항 등에 의해 정의된 전반적인 발명의 개념의 취지 또는 범위로부터 이탈하지 않고 행해질 수 있다.

Claims (10)

  1. 비대칭 출력 광 분포를 가지고 있는 광학 디바이스와 광 섬유사이에 광전력을 접속하기 위한 광 섬유 마이크로렌즈를 제조하는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법으로서, 상기 디바이스의 비대칭 모드 영역의 타원율이 1.5:1.0보다 큰 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법에 있어서, 레이저 비임에 의해서 상기 광 섬유의 단부의 재료를 삭마 및 가열함으로써 광 섬유의 단부를 레이저로 미세 가공하는 단계를 포함하고 있으며, 상기 미세 가공은, 주어진 타원율을 가지고 있는 마이크로렌즈를 생성하기 위해서, 상기 광 섬유의 다른 직교축의 대향 단부의 재료 부분보다 큰 한 직교축의 대향 단부의 재료 부분을 제거함으로써 행해지는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디바이스의 모드 영역의 타원율은 1.5:1과 10:1사이의 범위를 가지고 있는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 대칭 마이크로렌즈가 상기 광 섬유의 단부에 먼저 생성된 다음에, 상기 렌즈의 하나의 직교축의 대향 단부를 따라 상기 렌즈의 세그먼트가 상기 렌즈에 비대칭을 제공하기 위해 삭마되는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하나의 직교축의 하나의 단부에서 마이크로렌즈의 단면의 원하는 세그먼트가 먼저 제거된 다음에, 상기 하나의 직교축의 대향 단부에서 매칭된 세그먼트가 제거되는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비대칭은, 상기 광 섬유의 단면의 원하는 세그먼트가 상기 하나의 직교축의 상기대향 단부에서 제거될 때까지, 길이 방향 축을 중심으로 행해지는 상기 광 섬유의 회전 동안에 상기 광 섬유의 하나의 직교축의 대향 단부에서 상기 광 섬유를 순차적으로 삭마시킴으로써 제공되는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 레이저 비임은 상기 하나의 직교축의 대향 단부를 따라 존재하는 세그먼트와 그 대향 단부에 인접해 있는 세그먼트를 제거하기 위해서, 상기 광 섬유의 180° 위치에 대응하는 간격마다 간헐적으로 액티브되는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 대칭 마이크로렌즈가 상기 광 섬유의 단부상에 부분적으로 형성된 다음에, 상기 레이저 비임이 상기 섬유의 하나의 직교축의 대향 단부를 따라 존재하는 상기 광 섬유의 세그먼트와 그 대향 단부에 인접해 있는 광 섬유의 세그먼트를 제거하기 위해서 상기 광 섬유의 180° 위치에 대응하는 간격마다 간헐적으로 액티브되는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광학 디바이스는 레이저, 반도체 증폭기, 광 섬유 증폭기, 섬유 증폭기용의 펌프 소스, 변조기, 광 검출기 및 집적 회로 도파관으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 광 섬유 마이크로렌즈의 제조 방법.
  9. 비대칭 모드 영역을 가지고 있는 광학 디바이스와 광 섬유사이에 광 전력을 접속하는 광 전력 접속 방법으로서, 비대칭 모드 비율의 타원율이 1.5:1.0보다 큰 광 전력 접속 방법에 있어서, 상기 광 섬유의 경계내에 놓인 마이크로렌즈에 의한 광 전력의 상기 접속을 행하는 단계를 포함하고 있으며, 상기 마이크로렌즈는 상기 디바이스의 타원율을 매칭시키는 타원율을 가지고 있는 광 전력 접속 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 디바이스의 모드 영역의 타원율은 1.5:1과 10:1 사이의 범위를 가지고 있는 광 전력 접속 방법.
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