KR100315178B1 - 무색 광섬유 커플러 - Google Patents

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알프레드 엘. 미첼슨
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Abstract

본 발명은 무색 섬유 광 커플러에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 각각의 섬유가 코아 및 클래딩을 가지며, 길이의 일부를 따라 서로 용융되어 커플링 지역을 형성하는 다수의 싱글-모드 광섬유의 형태로 이루어진 무색 섬유 광 커플러에 관한 것이다. 상기 섬유들의 전달상수는 바람직하게는 서로 동일하다; 그러나, 만일 섬유 클래딩들이 서로 다른 굴절율을 가진다면, 가장 낮은 굴절율은 n2이다. 굴절율이 n3인 매트릭스 유리 바디는 커플링 지역을 둘러싸며, 상기 n2는값이 0.125%보다 작다는 사실에 의해 n2보다 작으며, 상기은 (n2 2-n3 2)/2n2 2과 동일하다.

Description

무색 광섬유 커플러
발명의 배경
본 발명은 비교적 넓은 파장에 대하여 섬유들 사이에서 빛을 상대적으로 균일하게 커플링(coupling)하는데 효과적인 단일-모드 광섬유 커플러(single-mode fiber optic couplers)에 관한 것이다.
응용된 섬유 커플러는 섬유를 보호하고 코어들 사이의 간격을 감소시키기 위하여 적절한 길이를 따라 나란히 다수의 섬유를 위치시키고, 클래딩들을 서로 용융시킴으로써 제조되었다. 여러 가지 커플러 특성은 섬유를 가열 신장하기 전에 섬유를 모세관(capillary)으로 삽입함으로써 개선될 수 있고, 그 결과 "오버클래드 커플러(overclad coupler)"가 제조된다. 오버클래드 커플러를 제조하기 위해서, 섬유들은 관에 삽입되고, 관이 비워진 다음, 그 중간영역(midregion)이 가열되어 섬유상으로 붕괴된다. 상기 중간영역의 중심부는 원하는 커플링을 얻기 위하여 필요한 직경 및 커플링 길이로 인발된다.
동일한 광섬유들이 표준 커플러를 제조하는데 사용되어 왔으며, 그 커플링 비는 파장 종속성이 강하여, 즉 만일 1310nm에서 3 dB의 커플링을 나타낸다면, 파장 종속성 때문에 1550nm에서 3 dB 커플러로서의 기능을 가질 수 없다. "표준 커플러(standard coupler)"는 1310 nm 근처에 중심이 있는 창(window)에서 전력 전송 특성(power transfer characteristics)이 특성화되고, 이것을 제1창이라고 한다.예를 들면, 표준 커플러는 60 nm 창 내에서 대략 ±5% 이상으로 변하지 않는 커플링 비를 나타낸다.
"무색 커플러(achromatic coupler)"는 커플링 비가 표준 커플러보다 파장에 덜 민감한 커플러이다. "무색 커플러"라는 용어의 정의는 널리 받아들여지지는 않는다. 상기 용어의 엄격한 정의는 단지 제1창에서 무색 커플러가 표준 커플러보다 우수한 전력 전송 특성을 나타내는 것이 요구된다는 것이다. 더욱 실제적으로, 본명세서에서는 제1창에서 무색 커플러가 표준 커플러보다 훨씬 우수한 성능을 필요로 하거나, 특성화된 폭의 두 개의 창에서 낮은 전력 전송 경사를 나타내는 것을 필요로 하는 것에 한정된다. 이러한 창들은, 예를 들면, 약 1310 nm 및 1550 nm 주위에 중심이 있는 100 nm의 폭으로 특수화될 것이다. 이러한 창들은 동일한 폭을 가질 필요는 없으며, 예를 들어, 그 폭은 80 nm 및 60 nm가 될 수 있다. 최적 성능의 무색 커플러는 필수적으로 전체 단일-모드 작동 영역에 걸쳐 낮은 값의 커플링된 전력 경사도를 나타낼 수 있을 것이다. 실리카-기초(silica-based) 광섬유의 경우, 이러한 작동 영역은, 예를 들면, 1260 nm 및 1580 nm 사이에서 특성화될 것이다.
하기에서, 굴절률 na및 nb인 두 물질 사이의 상대 굴절률 차(relative refractive index difference) Δa-b는 다음과 같이 정의된다:
Δa-b= (na 2-nb 2)/(2na 2) (1)
간단히 표기하기 위하여, Δ는 퍼센트, 즉 Δ에 100을 곱하여 표현한다.
종래의 경우, 무색 커플러는 커플링 영역에서 기본 모드에 대해 서로 다른 전파상수(propagation constants)를 갖는 섬유들을 사용하여 제조되었다. 즉, 서로 다른 직경을 가지는 섬유 및/또는 서로 다른 굴절율 프로파일(refractive index profile)을 가지는 섬유를 사용하거나 또는 두 개의 동일한 섬유 중 하나를 다른 것보다 더 많이 테이퍼링(tapering) 하거나 또는 에칭(etching)함으로써 제조되었다.
미국특허 제5,011,251호 및 제5,044,716호에는 오버클래드 무색 광섬유 커플러가 개시되어 있는데, 여기서 커플링된 섬유들은 섬유 클래딩 물질의 굴절율보다 낮은 굴절율 n3을 갖는 매트릭스 유리(matrix glass)에 의해 둘러싸여 있다. 상기 섬유들은 서로 다른 클래딩 굴절율을 갖기 때문에 상기 커플러 섬유의 전파상수는 서로 다르다. 제1섬유 클래딩 굴절율 n2와 제2섬유 클래딩 굴절율 n2'는 서로 다르므로, 커플러는 비교적 넓은 파장 대역에 걸쳐서도 파장에 따른 커플링 비는 거의 변화하지 않는다.
미국특허 제5,011,251호 및 제5,044,716호는 식 (1)에서의 na및 nb를 n2및 n3으로 대체함으로써 얻어진 값, 즉 Δ2-3에 의해 관 굴절율 n3을 특성화한다. 통상적으로 상업적으로 유용한 단일-모드 광섬유는 실리카의 n2값과 동일하거나 근접한 n2값을 갖는다. 만일 실리카가 관에 사용되는 기초 유리(base glass)로서 사용된다면, 상기 관의 굴절율 n3을 n2보다 낮은 값으로 감소시키기 위하여 도펀트(dopant)가 여기에 첨가된다. 상기 특허들에는 관의 굴절율을 낮출 수 있다는 점에 부가적으로, 도펀트 B2O3은 또한 관의 연화점 온도를 섬유의 연화점 온도보다 낮은 값으로 낮출 수 있다는 이점이 개시되어 있다. 불소(fluorine) 또한 관의 굴절율을 낮추는데 사용된다. 상기 특허들에는 Δ2-3이 약 0.2%보다 낮을 때, 실리카 관내에 있는 B2O3의 양이 1×2 또는 2×2 커플러에서 관 유리를 연화시키기에 충분하지 않으며, 이로 인해 붕괴(collapse)하는 동안 섬유들이 과도하게 변형된다는 내용이 개시되어 있다. 따라서, 표준 커플러의 Δ2-3값은 통상적으로 0.26%와 0.35%사이에 있다. 상기 특허들에는 무색 오버클래드 커플러의 공정 재생성은 Δ2-3값이 이전에 사용된 범위의 것보다 높은 굴절율, 바람직하게는 0.4보다 큰 Δ2-3값의 굴절율을 가지는 관을 사용함으로써 개선된다는 내용이 또한 개시되어 있다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 넓은 파장 대역에 걸쳐서 커플링된 전력의 매우 작은 변화에 의해 특성화되는 단일-모드 무색 광섬유 커플러를 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 모든 광섬유들이 서로 동일하게 되는 무색 커플러를 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 입력섬유 주위에 N개의 섬유(N＞2)를 가지는 형태의 무색 섬유 광 커플러를 제공하는데 있다. 여기서 입력섬유부터 출력섬유에 이르는 전력의 커플링은 거의 100%가 됨으로써 커플러의 손실이 최소화된다.
본 발명에 따른 무색 커플러는 매트릭스 유리(matrix glass)의 본체(body)를통하여 뻗어있는 다수의 광도파관 경로로 이루어져 있다. 코어 영역으로 이루어지는 각각의 경로는 코어 영역의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 클래딩 영역에 의해 둘러싸이고, 경로의 클래딩 영역의 최소 굴절율은 n2이다. 광도파관 경로는 상기 경로 중 하나에서 전파되는 광전력의 일부가 다른 경로에 커플되기에 충분히 긴 거리에 대하여 충분히 근접하여 뻗어 있다. 상기 경로에 인접한 본체 영역의 최소 굴절율은 n3이며, 상기 n3은 Δ2-3의 값이 0.125% 이하가 되므로 n2보다 작다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 도파관 경로는 광섬유로 이루어지고 매트릭스 유리는 종방향으로 뻗어 있는 섬유를 관통하는 실린더형 본체이다. 상기 본체는 제1 및 제2의 반대되는 말단부 및 중간영역을 갖는다. 중간영역의 중심부의 직경 및 중간영역의 중심부에 있는 광섬유들의 직경은 본체 말단부에서의 직경들보다 작다.
본 발명에 따른 무색 광섬유 커플러는 그 일부가 관의 중간영역을 점유하도록 다수의 광섬유들 각각의 적어도 일부가 유리관에 삽입됨으로써 제조된다. 상기 각각의 섬유들은 굴절율 n1을 갖는 코어와 굴절율이 n1보다 작은 굴절율의 클래딩으로 이루어진다. 특정한 섬유들의 가장 낮은 클래딩 굴절율은 n2이고, Δ2-3의 값이 0.125 %보다 작도록 n2는 n3보다 크며, 여기에서, Δ2-3은 (n2 2-n2 2)/(2n2 2)와 동일하다. 관의 중간영역은 섬유 상으로 붕괴되어, 중간영역의 중심부는 섬유들 사이에서 미리 결정된 커플링이 일어날 때까지 신장된다.
발명의 상세한 설명
이하 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도면은 도시된 소자의 스케일 또는 상대적인 비율을 나타내는 것은 아니다.
광섬유 커플러는 광섬유의 각 말단부로부터 뻗어있는 광섬유의 수에 의해, 특수한 출력 섬유(output fiber)에 거플링되는 입력전력(input power)의 부분에 의해, 그리고 커플링의 파장 민감성에 의해 특성화될 수 있다. M×N 커플러에서, 여기서 M ≥ 1이고 N ≥2, M개의 광섬유는 한쪽 말단부로부터 뻗어있으며, N개의 섬유는 다른쪽 말단부로부터 뻗어있다. 예를 들면, 3 dB 커플러는 제1섬유로부터 제2섬유로 전력의 50%가 커플링되는 1×2 또는 2×2 커플러이다. 탭(tap)은 입력전력의 50% 미만, 통상적으로 3%, 10% 또는 이와 유사한 소량의 %를 하나의 출력섬유에 커플링시키는 커플러(통상 1×2 또는 2×2 커플러)이다. 스플리터(splitter)(1×N, 여기서 N＞2)는 N개의 출력섬유들 사이에 입력전력을 동일하게 제공한다. 스위치는 두 개의 섬유 평면에서 두 개의 섬유가 구부러지는 각도를 변화시킴으로써 제1광섬유로부터 제2광섬유로 커플링된 출력 퍼센트가 변화될 수 있도록 패키지된 커플러(통상 1×2 또는 2×2 커플러)이다.(미국 특허 제4,763,977호 참조) 스위치는 통상적으로 작동파장에서 모든 빛을 입력 섬유로부터 제2섬유로 실질적으로 커플링시킨다. 본 발명은 무색 섬유 광 커플러에 관한 것이며, 상술한 형태의 모든 커플러에 관련이 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
제1도는 2×2 커플러의 개략도로서, 여기서 광섬유 Fl및 F2는 각각 굴절율이 nl인 코어를 가지며, 상기 코어는 nl보다 낮은 굴절율을 가지는 클래딩에 의해 둘러싸여 있다. 상술한 본 발명에 따르면, 모든 형태의 커플러 중 2×2 커플러가 전형적인 것으로 간주된다. 커플러는 섬유 Fl및 F2를 유리 오버클래드 관(0)을 통하여 뚫고 나가게 함으로써 제조될 수 있고, 상기 관의 굴절율 n3는 섬유 클래딩의 굴절율보다 작다. 바람직하게는 상기 관으로부터 뻗어 나온 섬유의 일부는 보호 코팅물질(상기 실시예에는 도시되지 않음)을 갖는 반면, 상기 관의 중간영역에 있는 섬유의 일부는 코팅을 가지지 않는다. 상기 관의 원래 직경은 d1이다. 이후 관(0)은 비워지며, 관의 중간영역은 섬유 상으로 붕괴되도록 가열된다. 관이 재가열되고, 그말단부들은 붕괴된 중간영역의 중심부를 신장시키기 위하여 반대방향으로 당겨진다. 상기 관의 붕괴(collapse) 및 신장(stretching) 공정은 미국특허 제5,011,251호에 개시된 내용에 따라 수행될 수 있다. 두개의 관 말단부가 서로 멀어져 갈 때의 속도는 조합된 신장 속도를 구성한다. 관은 일정한 속도로 신장될 수 있으며, 또는 신장속도는 연속적으로 또는 불연속적인 단계로 변화될 수 있다. 신장공정은 미리 결정된 커플링이 달성된 후 멈출 수 있다; 그 후, 관이 재가열 될 수 있으며, 신장은 제2차 신장속도로 일어날 수 있다. 원래 직경 d1대 만곡영역(neckdown region, N)의 중심부의 직경 d2의 비는 인발비(draw ration) R로 표시된다. 만곡영역(N)은 비록 약간의 테이퍼(taper)가 여기에 존재하고 있다 하더라도 일정한 직경을 가지는 것으로 도시되며, 이에 의해 만곡부(N)의 종방향 중심은 최소 직경을 나타낸다. 결과적인 커플러의 커플링 특성은 관(0)과 섬유(Fl및 F2)의 광학적 및 기계적 특성과 같은 변수에 의해, 그리고 길이(z), 만곡영역(N), 및 테이퍼된 영역(T)과 같은 커플러 변수에 의해 결정된다.
광전력은 입력 광섬유에 커플링될 수 있고, 출력 신호는 커플러 제조공정에서 공정단계를 제어함으로써 조절할 수 있다. 예를 들면, 미국특허 제5,011,251호를 참조하라. 하기의 실시예에서, 출력 전력은 신장하는 동안에는 조정되지 않았다. 오버클래드 광섬유 커플러에 관한 앞선 실험에서, 양 단계 동안 총 신장거리는 통상적으로 12 및 16mm 사이였다. 이러한 실시예에 기술된 커플러들은 초기에 상기 범위내의 일정한 거리까지 연장되었다. 결과적인 장치의 광학적 특성이 측정되었고, 제조된 커플러의 신장(stretching) 또는 연장(elongation) 거리는 원하는 특성을 거의 달성하도록 조정되었다. 이러한 공정에 의하여, 최적의 신장거리가 달성되었다. 그 후, 상기와 같은 형태의 모든 커플러들이 최적의 거리로 신장되어 바람직한 광학적 특성이 달성되었다. 그러나, 연장거리와 같은 공정변수는 제조된 커플러의 광학적 특성화의 결과로서 잘 조절될 수 있다.
이론적인 분석에 따르면 그 작동을 모델화하기 위해 커플링된 모드 이론을 사용하는 무색 커플러가 제조된다. 상기 분석은 간행물, 즉 신더(A. W. Snyder)와 러브(J. D. Love)의 광도파관 이론(Optical Waveguide Theory), 챕맨(Chapman) 및 홀(Hall), 뉴욕, 1983.에 개시된 원리에 기초를 두었다. 분석된 커플러 형태들은 1×6 및 1×8 스플리터(splitters), 2×2 3dB 커플러, 2×2 스위치 및 2×2 90%∼10% 탭이다. 이러한 이론에 따르면, 제1도의 2×2 오버클래드의 모드 영역은 다른 섬유 없이, 즉 단지 굴절율 n3인 오버클래드 물질에 의해 둘러싸인 섬유로 각각의 섬유 F1및 F2의 기본 모드및의 선형 조합(linear combination)이 되는 것으로 가정된다. 전파상수(propagation constants) 및 모드영역(mode fields)은 상기와 같은 구조물(M. J. Adams, An Introduction to Optical Waveguides. 참조.)에 대해 정확히 결정될 수 있다.
두 개의 코어 사이에서 광학적으로 커플링을 표시되는 커플링 상수(coupling constant)는 다음과 같은 적분으로 나타낼 수 있다 :
C=∫(r)(r')(n-n')dA (2)
상기 식에서,및는 두 개의 코어의 모드 영역이고, r 및 r'는 각각 섬유 Fl및 F2의 코어 중심으로부터의 반경 거리이며, n은 전체 커플러 구조물의 굴절율이고, n'는 굴절율 n3인 오버클래딩 물질에 의해 대체된 Fl의 코어를 가지는 구조물의 굴절율이며, 상기 적분은 커플러의 전체 단면에 대해 한다.(그러나 n-n'는 섬유 Fl의 클래딩 및 코어에 대해 단지 0이 아니다). 모드 영역은 상기 식, 즉 적분(이들 둘의 값은 모두 1이다)에서 규준화 되는 것으로 간주된다.
이러한 테이퍼된 장치(tapered devices)에서, 그들의 작동특징(qualitative behavior)은 커플링 길이의 외측에서 커플링 없이 주어진 커플링 길이에 일정한 인발비(draw ratio)를 가정함으로써, 즉, 제1도의 영역 N의 직경은 전체길이 z에 걸쳐 일정하다고 가정함으로써 적절하게 모형화된다. 커플링 상수가 인발비를 빠르게 증가시키는 작용을 하기 때문에, 커플러의 작동은 인발비가 가장 높은 곳에서의 작동에 의해 지배되어 이러한 접근은 잘 맞는다. 이러한 접근방식을 사용하여, 전력은 코어(1)로 보내어지고, 커플러 축에 따른 길이인 z의 함수에 따라 두 개의 코어에서의 전력은 다음과 같이 주어진다. :
P1(z)=1-F2sin2(Cz/F) (3)
및
P2(z)=F2sin2(Cz/F) (4)
여기서 인자 F는 다음과 같다:
F=│l+((β1-β2)/2C)-l/2│ (5)
여기서 β1및 β2는 각각 섬유 Fl및 F2의 전파상수이다.
테이퍼(taper)를 따라 커플링 방정식을 적분함으로써 좀 더 양질의 결과를 얻을 수 있다. 비록 많은 계산시간을 소요함에도 불구하고, 빔 전파 기술(퓨리어 변환(Fourier transform), 유한의 차(finite difference) 등)을 사용함으로써 훨씬 더 정확한 실험이 수행될 수 있다.
커플링된 모드 모델이 0.35%의 Δ2-3값을 가지는 커플러에서 3개의 서로 다른파장에 대한 인발비의 함수로서 2×2 커플러에 대한 커플링 상수를 결정하는데 사용되었다. 커플러 변수에 대해 행해진 대부분의 가정은 표준 오버클래드 커플러에 행해진 작동에 기초되었다. 섬유 Fl및 F2는 4㎛의 코어반경을 가지는 125㎛ 외경의 표준 단일-모드 섬유로 가정된다. 코어 및 클래딩의 굴절율, 즉 n1및 n2는 각각 1.461000 및 1.455438로 가정된다. 상기 모델은 제3도의 그래프를 만드는데 사용되었으며, 상기 그래프는 본 발명에 따른 커플러의 무색성(achromaticity)을 개선하는데 도움이 되는 물리적 메카니즘을 도시한 것이다. 제3도에 의하면, 커플링 상수는 평행 코어 2×2커플러에 대하여 역인발비의 함수로 나타난다. 주어진 파장에서 커플링 상수는 증가된 인발비에 따라 매우 빠르게 증가됨을 알 수 있다. 그러나, 인발비가 큰 곳에서 곡선의 최대치가 있다. 이것은 모드 영역 팽창이 커서 섬유들중 하나의 클래딩과 코어로 구성되는 영역(커플링상수가 중복되어 합쳐지는 곳)에서, 두 개의 섬유의 모드 영역사이의 중복은 모드 영역의 크기의 감소 때문에 실제적으로 감소된다는 사실에 의한 것이다. 인발비의 최대치보다 훨씬 작은 인발비에서는, 그 팽창이 회절 효과(diffractive effect)로 인하여 커지기 때문에 더 긴 파장에서의 커플링 상수가 더 크다. 그러나, 이러한 사실이 의미하는 것은 최대 커플링이 발생하는 곳에서의 인발비가 모드 영역 팽창이 하나의 코어에서 나온 모드 영역이 다른 코어에서 나온 모드 영역과 겹치는 양만큼 감소된다는 점에 의해 결정되기 때문에, 더 긴 파장에서 최대 커플링은 더 작은 인발비를 가지는 곳에서 발생한다는 것을 나타낸다. 모드 영역 팽창은 주어진 인발비에 대하여 더 긴 파장에서 증가하기 때문에, 최대치는 더 긴 파장에 대해서 더 작은 R값을 가지는 곳에서 발생한다. 제3도에 도시된 바와 같이, 이것은 커플링 상수 곡선이 서로 교차하는 원인이 된다.
단일 인발비를 갖는 비테이퍼된 평행 코어 디바이스에 있어서(제1도 참조), 무색성(예를 들면, 약 1300 및 1500nm에서 동일하게 커플링되는)을 얻기 위하여, 커플러 배열은 커플링 상수 곡선의 교차점, 즉, 제3도에 도시된 두 개의 파장에 대한 RCROSS에서 작동되도록 하기 위하여 선택될 것이다. 최대 RMAX까지의 모든 인발비를 포함하는 배열을 가지는 테이퍼된 디바이스에 있어서, RMAX＞ RCROSS를 가지는 것이 필요하다(제3도의 교차점의 좌측으로 l/RMAX을 가지는 것이 필요하다). 이것은 테이퍼의 말단부 근처의 저인발비 지역(제4도의 점선 5와 6사이의 LW 지역 참조)에서는, 좀 더 긴 파장에서는 커플링이 좀 더 강하여, 긴 파장의 빛이 많이 커플링되기 때문이다. RMAX>RCROSS가 되도록 테이퍼링함으로써, 커플러는 또한 SW 영역(점선 4와 5사이)을 포함하며, SW 영역에서는 좀 더 짧은 파장에서 커플링이 좀 더 강하며, 이에 의해 작은 인발비를 가지는 영역을 보상하여 준다. SW 및 LW 영역은 제4도의 관(3b)의 테이퍼에 속한다. RMAX의 정확한 값은 테이퍼된 디바이스에서 커플링 방정식을 적분하여 결정되어야 한다.
제3도 및 이에 관련된 전술한 것에서 알 수 있듯이, 무색 커플러를 제조하는데에는 약 10:1의 인발비가 필요하며, 여기서 Δ2-3은 0.35%이다. 상기와 같은 고인발비는 하기 이유 때문에 상당히 큰 초과 손실을 야기시킬 수 있다. 인발비가 커질수록 커플링 강도를 증가시키고, 이로 인해 좀 더 짧은 커플링 거리 z를 필요로 한다. 이러한 관계는 제4도에 나타나 있으며, 여기서 신장된 두 개의 관(3a 및 3b)의 외부표면은 각각 실선 및 점선으로 도시되어 있다. 관(3b)은 관(3a)보다 큰 인발비를 가지기 때문에, 동일한 커플링을 달성하기 위해서는 관(3b)은 관(3a)보다 짧은 커플링 거리(z)를 가져야 한다.(전력 전송 곡선의 제1사이클에서) 전력 전달 곡선은 미국 특허 제5,011,25l호의 6도와 연관되어 개시되어 있다.
기본 LP01모드로부터 더 높은 모드까지의 원하지 않는 모드 커플링은 관(3b)의 고인발비/짧은 커플링 영역의 좀 더 가파른 테이퍼에 대해 강해지는 것으로 알려져 있다. 이러한 비단열적(nonadiabatic) 커플링은 커플러의 초과손실을 증가시킬 수 있다.
전술한 모델은 1×2 이중창 스위치에 대해 이론적으로 요구되는 테이퍼 변수를 계산하는데 사용되었다. 테이퍼된 커플러의 길이에 따른 거리(z)의 함수(인발비의 최대점에서의 z의 원점)로서 테이퍼된 커플러의 인발비는 최대 인발비 RMAX, 및 가우스 너비 변수 ωO를 포함하는 가우스 함수로서 간단히 주어질 수 있다. 그것은 다음과 같이 표현된다:
R(z)=l+(RMAX-1)exp[-(z/ωO)2] (6)
표준 2×2 WDM 커플러에 대한 이러한 변수들의 통상의 값은 RMAX가 3 내지 6이며, ωO가 3000 내지 6000 ㎛이다. 모델에 의하면, 상기 변수 RMAX및 ωO의 값은 매우 작은 Δ2-3값에 대해 커런트 커플러(current coupler)의 값의 범위 내에 있다. "커런트 커플러(current coupler)"는 미국특허 제5,011,251호에 개시된 형태의 오버클래드 커플러의 의미로서,Δ2-3은 0.26%보다 크다. 좀 더 작은 값의 Δ2-3은 제3도의 곡선을 오른쪽(좀 더 낮은 인발비의 값을 가지는 쪽으로)과 아래쪽(좀 더 작은 최대 커플링 상수의 값을 가지는 쪽으로)으로 옮길 것이며, 이에 의해 좀 더 용이하게 달성될 수 있는 인발비를 가지는 무색 커플러가 제조될 수 있다. Δ2-3의 값이 좀 더 작아짐에 따라, 필요한 RMAX값은 좀 더 작게 되며, 그리고 필요한 커플링 길이(가우스 너비 변수 ωO에 의해 표시된 바와 같다)는 좀 더 길어진다. 따라서 테이퍼는 좀 더 경사가 완만하게 된다.
사용될 수 있는 Δ2-3값에 대한 이론적 최대치는 비단열 모드 커플링으로 인한 한계를 고려함으로써 얻을 수 있다. 전파상수(β)는 LP01및 LP02모드에 대해 계산되었다. LP02모드는 이상적이고 대등한 섬유커플러에서 LP01모드에 커플링되는 가장낮은 수준의 모드이다. 방정식(6) 및 LF01및 LP02모드의 βs로부터, 변수1/a │ da/dz │및 1/2π[β(LP01)-β(LP02)]가 결정되었으며, 여기서 a는 코어반경이며 z는 커플러 축을 따라 측정된 거리이다. 단열성을 위해서는 다음의 관계가 성립해야 한다:
l/2π[β(LP01)-β(LP02)]-l/a │da/dz │> 0 (7)
"NAT 차이"로 언급된 방정식(7)의 차이변수는 1310 및 1550 nm의 파장에 대해 제5도에서의 Δ2-3의 함수로 나타난다. 상기 NAT 차이는 두 개의 파장 각각에서 0.02%에서 0.14%까지의 Δ2-3값에 대해 계산되었다. 1300nm 곡선은 약 0.125%의 이론적으로 가능한 최대 Δ2-3값에서 NAT 차이가 0임을 알 수 있다.
실제의 경우, 1300~1550nm 범위의 파장에서의 Δ2-3값은 약 0.045% 또는 그이하로 되어 무색성이 상당히 개선될 수 있었다는 것을 알 수 있다. 제16도에 도시된 형태의 인발 장치에서 달성될 수 있는 테이퍼의 경우 Δ2-3이 0.09%일 때 무색 커플러는 제조될 수 없었다. 그러나, Δ2-3이 0.045%보다 큰 곳에서 무색 커플러를 제조하기 위하여, 좀 더 작은 외경을 가지는 관이 사용될 수 있으며, 좀 더 작고 좀더 집중된 불꽃을 제공할 수 있는 버너가 사용될 수 있었다. 약 0.01% 내지 0.02%의 Δ2-3값으로 최상의 결과를 얻을 수 있었다. 측정될 수 있는 Δ2-3값의 낮은 한계는 0.01%이다.
상기 내용은 2×2 커플러의 맥락에서 본 발명을 상세히 설명한 것이다. 상기와 같은 물리적 현상으로 인하여 본 발명의 원리들이 M×N커플러에 적용된다. 많은 수동 광학적 네트워크(passive optical networks)들 중 특히 중요한 것은 1×N 스플리터이다.
전력 스플리터(power splitter)로 언급된 하나의 형태의 커플러에서, 중심입력섬유는 커플링 영역에서 동일한 간격으로 떨어져 있는 다수의 출력 링섬유 (ring fibers)에 의해 둘러싸여 있다. 1×N 전력 스플리터는 N개의 섬유들이 하나의 입력섬유 주위에 배치되도록 제조될 수 있다; 상기와 같은 디바이스에 있어서, 입력섬유는 가능한 적은 전력을 유지하여 한다. 상기와 같은 커플러에 있어서, 중심섬유 및 링섬유들은 바람직하게는 "실질적으로 동일한 전파상수(substantially matched propagation constants)"를 가진다. Δβ(중심섬유와 링섬유 사이의 전파상수의 차이)가 8개의 링섬유가 중심섬유(얇은 유리 스페이서 관(spacer tube)이 중심섬유와 링섬유 사이에 위치한다) 주위에 배치된 1×8 스플리터의 삽입손실에 미치는 영향을 확인하는 실험이 수행되었다. 섬유 클래딩을 서로 다른 양의 염소로 도핑함으로써 중심섬유와 외부 또는 링섬유의 전파상수 사이의 차이를 도출시켰다. 제2도에 도시된 바와 같이, 여기서 Δ2-3값은 약 0.02%이며, 삽입손실은 링 및 중심섬유가 동일할 때 가장 낮았다. 여기서 사용된 모든 광섬유들은 표준 원격통신 섬유가 될 수 있다는 점에서 이러한 형태의 1×N 스플리터는 이점이 있다.
다른 형태의 1×N 스플리터에 있어서, N-1개의 섬유들은 하나의 입력섬유 주위에 배치되고, 하나의 N번째 입력 전력이 입력섬유에 남게 되며, 이것이 N개의 출력 섬유 중 하나로서 작용한다. 중심섬유를 포함한 모든 광섬유의 전력을 동일하게 하기 위하여, 링섬유와 약간 다른 전파상수를 가지는 내부 섬유를 사용하여 이점이 있을 수 있다. 미국특허 제5,011,251호의 개시내용을 근거로 하면, 약 0.002㎛-1의 최대 Δβ가 상기 커플러에 유용할 것이다. 상기 Δβ값은 링섬유와 약간 다른 클래딩 굴절율을 가지는 중심섬유를 사용함으로써 얻을 수 있다. 가장 낮은 굴절율 n2와 가장 높은 섬유 클래딩 굴절율 n2'"사이의 차이는 충분히 작아야 하며, Δclads는 0.03% 이하가 바람직하다. Δclads의 값은 방정식(1)의 na및 nb를 클래딩 굴절율 n2및 n2'로 대체하고 Δ을 구함으로써 산출된다. 섬유의 클래딩들이 약간 서로 다른 굴절율을 가지는 경우, 가장 낮은 굴절율 n2는 Δ2-3을 계산할 목적으로 사용될 것이다.
커플링된 모드 이론은 1개의 섬유 주위의 N개의 섬유들(N＞2)의 경우에 일반화 될 수 있다(예를 들면, 제14도 및 제19∼21도 참조.) 어떤 두 섬유 사이의 커플링 상수는 2×2 경우에서와 같이 정의된다. 이러한 경우의 지수 구조(index structure)는 너무나 복잡하여 좀 더 단순화시키거나 또는 좀 더 복잡한 모델링이 없이는 해결되지 않는다. 첫 번째 접근방법으로서, 다음의 경우가 고려되었다: 문제가 되는 두 개의 섬유를 제외한 모든 섬유는 오버클래딩 지수물질에 의해 대체된다. 이것은 그 후 정확한 해결을 가능하게 해준다. 만약 단지 최인접 커플링이 고려된다면(통상 잘된 접근), 그리고, 전력이 중심섬유로 입력된다고 가정하면, 그때는 링섬유들 중 어떤 하나에서 길이 함수로서의 전력은 다음의 방정식으로 주어진다:
Pj(z)=F2/N sin2(Cz/F) j=1, ..., N (8)
여기서,
β0은 중심섬유의 전파상수이다; β1은 링섬유의 전파상수이고, 모든 링섬유들이 동일한 것으로 간주된다(모델은 동일하지 않은 것까지 확장될 수 있다);
C=N1/2C01;C01은 중심섬유와 각 링섬유 사이의 커플링이다(C01=C02=...=CON); C12는 인접 한 링섬유들 사이의 커플링이다(C12=C23=...).
입력시에 1개인 것으로 추측되는 중심섬유 전력은 다음과 같이 주어진다.
Po(z)=1-F2sin2(Cz/F) (10)
M×N 커플러에서 무색성을 개선시키는 물리적 메카니즘은 2×2 커플러에서 무색성을 개선시키는 물리적 메카니즘과 동일하다. 더구나, 이러한 개선점은 유사한 리2-3간에 대해 비슷하였으며, 비단열 모드 커플링 한계도 또한 비슷하다. 따라서, 비슷한 범위의 Δ2-3값들은 2×2 커플러에 대해서와 같이 M×N 커플러에 대해서도 최적의 상관관계를 부여하여야 한다.
요구되는 매우 작은 값의 Δ2-3을 달성하는데 취해질 수 있는 서로 다른 많은 접근방식들이 있다. 하나의 접근방식은 염소로 도핑된 클래딩을 가지는 광섬유 및 순수한 SiO2관을 사용하여 실리카 관의 굴절율보다 큰 굴절율을 가지는 광섬유를 제공하는 것이다. 이러한 방법은 관 및 섬유 클래딩의 굴절율을 잘 조절할 수 있도록 해준다. 또한 편광 변화성(polarization variability)이 우수하였다. 이러한 조합된 유리들의 주요한 문제점은 관과 섬유들 사이의 점도(viscosity)의 차이를 거의 없도록 해준다는 것이다. 이것은 섬유들이 변형되고 높은 초과 손실을 가져오는 원인이 된다.
상업적으로 유용한 단일-모드 광섬유들은 통상적으로 실리카의 n2값과 동일하거나 비슷한 n2값을 가진다. 이러한 형태의 섬유가 사용되면, 관은 소량의 B2O3(0.l5wt.% 내지 1.0wt.%의 범위)으로 도핑된 실리카로 제조될 수 있다. 상기 B2O3은 섬유 클래딩 유리에 대해 관유리를 연화시키며, 이로 인해 낮은 초과 손실을 가지는 커플러가 제조된다. 만약 관이 2.0wt.% 이상의 B2O3으로 도핑된 SiO2로 제조된다면, 섬유는 0.125% 이하의 Δ2-3값을 제공하기 위하여 필요한 수준으로 클래딩 굴절율을 낮추기 위하여 충분한 양의 염소로 도핑된 SiO2를 포함하는 유리로 클래딩될 수 있다.
또 다른 접근방식은 B2O3및 염소와 같은 하나 또는 그 이상의 굴절율-감소 도펀트 및 GeO2와 TiO2같은 하나 또는 그 이상의 굴절율-증가 도펀트로 도정된 기초 유리로부터 관을 제조하는 것이다. 상기 두 가지 형태의 도펀트를 조합함으로써 바람직한 Δ2-3값을 가능하게 해주는 굴절율 n3을 제공해 준다. 상대적으로 연화 유리로 된 관을 사용함으로써 관이 섬유로 붕괴하는 정도가 개선된다; 상기 관유리는 섬유 형태의 변형 없이 섬유 주위로 흐른다.
관(0)은 화염 가수분해 공정(flame hydrolysis process)(1991년 12월 16일에 출원된 미국 특허출원 제07/809,697호 참조)으로 언급된 증착법(vapor deposition)으로 제조되는 것이 바람직하다. 관은 또한 용융된 유리(melted glass) 또는 졸겔법(sol gel techinque)에 의해 제조될 수 있다.
조성에 따른 반경 변화를 갖는 관은 또한 무색 커플러를 제조하는데 사용된다. 관 보어(bore)에 인접한 관의 내부 영역은 바람직한 Δ2-3값은 제공하는 조성물로 제조된다. 상기 관의 나머지 부분은 내부 영역과 다른 굴절율을 갖는 하나 또는 그 이상의 영역으로 제조될 수 있다. 제6도를 참고하라. 예를 들면, 내부 표면 rls와 전이 반경 rt사이의 관의 내부 영역은 0.15wt.% 내지 0.20wt.% 범위 내에 소량의 B2O3을 함유하여 무색성을 가지는 커플러를 제공하기에 충분히 낮은 Δ2-3을 제공할 수 있다. rt와 외부 표면 ro사이의 외부 관 영역은 내부 영역보다 더 높은 B2O3농도를 함유할 수 있다. B2O3의 농도가 증가할수록 더 낮은 굴절율을 가지는 영역을 발생시키며, 이로 인해 광전력이 잘 제한된다. 유사한 초과 손실을 갖는 커플러는 실질적으로 일정한 방사상의 굴절율의 관 및 방사상으로 굴절율이 감소하는 관을 사용하여 달성된다.
바람직한 제조 기술로 커플러부터 뻗어 있는 광섬유 피그테일(pigtails)을갖는 커플러를 제조할 수 있는 반면에, 본 발명은 또한 섬유들이 연장된 매트릭스 유리 본체(elongated matrix glass body)를 통하여 확장되지만, 본체의 말단부 표면에 말단부가 평평하게 되는 형태의 오버클래드 커플러에 적용된다. 상기 커플러의 제조방법은 미국특허 제4,773,924호 및 제4,799,949호에 개시되어 있다. 간단히 말해서, 상기 방법은 다수의 광섬유 예형 로드(preform rods)를 유리관에 삽입시키는 단계; 및 상기의 예형을 가열 및 신장시켜 이후 다수의 유닛(units)으로 절단되는 유리 로드를 형성하는 단계로 이루어져 있다. 열은 각 유닛의 중심 영역에 적용되고, 상기 중심 영역은 신장되어 전술한 테이퍼된 영역을 형성한다.
실시예 1
1×2 무색 광섬유 이중창 스위치(double window switch)의 제조방법이 제7∼10도에 도시되어 있다. 3.8cm 길이, 2.8mm 외경 및 265㎛ 종방향 보어 직경(longitudinal bore diameter)을 갖는 유리 모세관(glass capillary)(10)이 사용된다. 화염 가수분해 공정에 의해 제조된 관(10)은 제6도에 도시된 형태의 굴절율 기울기를 가진다. rls와 rt사이의 내부 영역은 약 8.0wt % B2O3과 2.5wt % GeO2로 도핑된 실리카로 구성된다. rt와 ro사이의 외부 영역은 약 8wt.% B2O3으로 도핑된 실리카로 구성된다. 상기 내부 영역은 두께는 300㎛이다. Δ2-3의 값은 0.02%로 광학적으로 측정된다.
코팅된 섬유(17 및 18)는 각각 250㎛ 직경의 우레탄 아크릴레이트 코팅(urethane acrylate coatings)(21 및 22)을 갖는 125㎛ 직경의 단일-모드 광섬유(19 및 20)로 이루어진다. 상기 두 개의 섬유는 8.5wt.% GeO2로 도핑된 실리카로 이루어진 8㎛ 직경의 코어를 갖는다. 섬유의 컷오프 파장(cutoff wavelength)은 커플러의 작동 파장(operating wavelength)보다 낮다. 예를 들면, 만일 최소 작동 파장이 1260nm이면, 섬유의 컷오프 파장은 1200nm와 1250nm 사이에서 선택된다. 표준원격통신 섬유인 이러한 섬유들은 미국특허 제5,011,251호에 개시된 기술에 따라 제조된다.
코팅의 6cm 길이 부분이 1.5m 길이의 코팅 섬유(18)의 말단부로부터 제거된다. 섬유의 벗겨진 부분의 중심에 직접 화염을 가함으로써, 섬유(18)의 말단부에 반사방지 종결부(antireflection termination)가 형성되고, 섬유의 말단부가 끌어당겨져 절단되어 테이퍼된 말단부가 형성된다. 섬유(20)의 팁(tip)은 버너 화염으로 가열됨으로써 유리가 움푹들어가게 하고 둥근 말단면이 형성되며, 상기 말단면의 직경은 원래 코팅되지 않은 섬유의 직경과 같거나 또는 약간 작다. 결과적으로 벗겨진 말단 영역의 길이는 약 3.2cm이다.
코팅의 대략 3.2cm가 3m 길이 섬유(17)의 중심 영역으로부터 벗겨진다. 섬유(17 및 18)의 코팅되지 않은 부분이 닦아지고(wiped), 삽입 공정 중에 섬유가 일시적으로 매끄럽게(lubricate) 되도록 소량의 에틸 알콜이 관에 분출된다.
섬유(17)의 미코팅된 부분이 관 말단부(15)보다 낮게 위치할 때까지 코팅된 섬유(17)는 보어(11)를 통하여 삽입된다. 코팅된 섬유(18)의 미코팅된 부분이 코팅된 섬유(17)의 미코팅된 부분에 인접하도록 유지되며, 코팅 말단부 영역이 깔때기형태(funnel, 13)의 내부에 있을 때까지 양자는 관 말단부(14) 쪽으로 이동된다.
다음에 코팅된 섬유(17)의 코팅되지 않는 부분은 말단면(14 및 15) 중간에 위치된다. 섬유(18)의 말단부(25)는 관(10)의 중간 영역(27)과 말단면(14) 사이에 위치된다. 소량의 UV-경화 점착제(UV-curable adhesive)가 말단면(15) 근처의 섬유 (17 및 18)에 적용되어 상기 섬유들을 깔대기 형태(13)에 고정하고, 말단면(14) 근처의 섬유(17)에 적용되어 상기 섬유(17)를 깔대기 형태(12)에 고정한다. 그 후 예형(31)이 링 버너(ring burner, 34)(제8도)를 통하여 삽입되고 인발 척(draw chucks, 32 및 33)에 고정된다. 상기 척은 모터 제어대(45 및 46) 위에 위치된다.
섬유들을 진공 부착품(vacuum attachment, 41 및 41')을 통하여 관통되고 다음 예형(31)의 말단부에 부착된다. 제7도에 의하면, 진공 부착품(41)은 관(10) 말단부에 미끄러져 들어가고, 고리(collar, 39)는 단단히 고정되어, 관에 대하여 0-링(38)을 압축한다. 진공 라인(42)이 관(40)에 연결된다. 얇은 고무 배관(rubber tubing, 43)의 길이의 하나의 말단부는 예형(31)에 대향된 진공 부속품(41)의 말단부에 부착된다; 상기 배관의 나머지 말단부는 관 고정수단(clamping means) 내로 뻗어있다. 상부의 진공 부착품(41')은 라인(42'), 배관(43') 및 고정수단과 유사하게 결합된다. 섬유의 코팅부는 배관(43 및 43')으로부터 뻗어있다. 화살표(44 및 44')로 지시된 바와같이, 진공(V)은 배관 (43 및 43')에 대해 직접 공기압을 가함으로써 커플러 예형(31)에 적용되며, 이에 의해 배관을 통하여 뻗어있는 섬유들에 대해 배관을 고정한다.
관 보어에 연결된 61cm의 수은주 진공으로, 링 버너(34)가 점화된다. 화염은각각 0.45 slpm 및 0.90 slpm의 속도로 버너에 가스 및 산소를 공급함으로써 발생된다. 링 버너(34)에서 나온 화염으로 약 12초 동안 관(10)을 가열한다. 매트릭스 유리의 중간 영역(27)은, 제9도에 도시된 바와 같이, 섬유(19 및 20) 상으로 붕괴된다.
관이 냉각되면, 버너는 재점화되고, 가스 및 산소의 흐름속도는 위와 동일하게 유지한다. 화염은 물질의 연화점까지 붕괴된 영역의 중심을 가열한다. 8 내지 10초 후에, 버너에 산소를 공급하는 것을 중단한다. 모터 제어대(45 및 46)를 1.0 cm/sec 조합속도로 서로 반대 방향으로 잡아당겨 관(10)을 0.65cm까지 신장시켜 만곡영역(51)(제10도 참조)을 형성하고, 상기 만곡영역의 직경 및 길이는 단일 신장 공정에서 바람직한 광학적 특성을 달성하기에 충분하다.
커플러가 냉각된 후, 진공 라인을 제거되고, 미량의 점착제(48 및 49)가 관의 말단부(14 및 15)에 적용된다. 상기 점착제는 자외선에 노출시킴으로써 경화되며, 커플러는 척으로부터 제거된다.
실시예 1에 따라 제조된 스위치에 대한 스펙트럼 삽입손실 곡선이 제11도에 도시되어 있다. 곡선 P2는 커플링된 전력을 나타낸다. 상기 스위치에 대한 초과손실은 1290 nm 및 1560 nm에서 각각 1.6 dB 및 2.4 dB이다. 제11도의 커플링 비 곡선에서의 이중 피크는 이상적인 이중창 스위치 커플러인 결과적인 디바이스로 특성화된다. 말단부(15)에서 두 개의 섬유(17 및18)에 전파되는 총 전력의 약 91%는 1290 nm에서 광섬유(18)에 의해 인도되고, 전력의 약 99%는 1560 nm에서 출력 섬유(18)에 의해 인도된다. 실시예 1에 따라 제조된 커플러는 약 2 dB의 중간 초과 디바이스 손실을 나타낸다. 가장 낮게 측정된 초과손실은 1.4 dB이다.
실시예 2
1×8 무색 스플리터는 하기 차이점을 제외하고는 실시예 1에 설명된 방법과 유사한 방법으로 제조된다. 3.8cm 길이, 2.8mm 외경, 및 465㎛ 종방향 보어 직경을 갖는 유리관(55)(제12도 및 14도 참조)이 사용된다.; 약 0.5wt.% B2O3으로 도핑된 실리카르 제조되며, 조성은 그 반경 전역에 걸쳐 비교적 균일하다. 관(55)의 조성물은 습식 화학반응(wet chemistry)으로 결정된다.; 그 후 굴절율과 B2O3함량 사이에서 알려진 관계로부터 Δ2-3은 1300 nm에서 0.022%인 것으로 추측된다..
단지 6개의 광섬유만이 동일한 직경의 다른 섬유 주위에 맞춰질 수 있기 때문에, 유리 스페이서 관은 하나의 중심섬유 주위에 배치되어야 하며, 중심섬유 주위에 동일하게 간격을 두고 7개 또는 그 이상의 섬유들이 배치될 수 있다. 205㎛의 외경 및 130㎛의 내경을 갖는 스페이서 관이 125㎛의 외경을 갖는 8개의 광섬유로 사용될 수 있다. 코팅된 스페이서 관의 길이는 초기에 관 보어의 표면 주위에 8개의 섬유들을 삽입하는 도구로서 사용될 수 있다. 스페이서 관의 길이는 450㎛의 외경을 갖는 우레탄 아크릴레이트 코팅으로 제공된다. 약 2.5cm 의 코팅은 스페이스 관의 조각(56)의 말단부로부터 벗겨진다. 상기 스페이서 관의 미코팅된 말단은 코팅(57) 말단이 깔대기 형태(59)를 약간 넘은 거리인 보어(58) 내에 위치하도록 충분한 거리가 관(55)의 말단부(64)에 삽입된다.
1.5m 길이의 9개의 광섬유가 3.2cm 길이의 벗겨진 말단에 제공되고, 상기 섬유들의 말단면은 반사방지 종결부를 가진다. 8개의 광섬유(61)가 코팅(57)과 접촉될 때까지 스페이서 관(56) 주위의 보어(58)로 삽입된다. 8개의 광섬유는 섬유 코팅(62)이 깔대기 형태(59) 내에 있을 때까지 관(55)의 말단(64)을 향하여 서로 이동된다. 그 후 코팅된 스페이스 관은 제거된다. 32mm 길이의 스페이서 관(72)의 말단부는 날카로운 모서리가 둥글게 되도록 불로 연마된다. 스페이서 관(72)은 그 반경전역에 걸쳐 0.5wt.% B2O3으로 도핑된 SiO2로 구성된다. 9번째 섬유(71)의 미코팅된 말단(70)은 스페이서 관(72)(제13도 참조)으로 삽입되고, 결과적인 조합물은 깔대기 형태(65)를 통하여 삽입되고, 제거된 스페이서 관(56)으로부터 8개의 섬유(61)의 중심에 있는 구멍으로 삽입된다. 삽입 단계는 코팅(73)이 작은 직경의 깔대기 형태(65) 말단에 근접하여 도달할 때까지 계속된다. 결과적인 예형의 부분 단면도가 제14도에 도시되어 있다. 소량의 UV-경화 점착제가 섬유들이 제자리에 유지되도록 적용된다.
진공이 관 보어의 하나의 말단부에 적용되고, 여러 방울의 에틸 알콜이 파편을 제거하도록 다른 말단부에 적용된다. 예형이 척에 놓여진 후, 진공상태의 45.7cm의 수은주가 상기 관 보어의 양 말단부에 연결되고, 알콜을 증발시키기 위하여 버너가 1초 동안 점화된다.
가스 및 산소를 각각 0.55 slpm 및 1.10 slpm의 속도로 버너에 흘려보내면서, 매트릭스 유리를 섬유로 붕괴시키기 위하여 화염이 약 18초 동안 관을 가열한다. 관이 냉각된 후에, 가스 및 산소를 상기 속도와 동일하게 흘려보내고, 버너가 다시 점화된다. 화염으로 붕괴된 영역의 중심부를 가열하고, 10초 후에 버너(34)에 공급되는 산소공급을 중단한다. 중간영역의 중심부(27)가 0.8cm 신장될 때까지 제어대(45 및 46)를 1.0cm/sec의 조합속도로 서로 반대방향으로 끌어당긴다.
실시예 2에 따라 제조된 특수한 1×8 스플리터에 대한 스펙트럼 삽입손실이 제15도에 도시되어 있다. 상기 곡선은 8개의 링 섬유의 각각에 커플링된 전력을 나타낸다. 상기 커플러에 대한 초과손실은 1310 nm 및 1550 nm에서 각각 1.9 dB 및 1.7 dB이다. 320 nm보다 큰 파장에서 1600 nm보다 큰 파장까지에 걸쳐 있는 커플러의 각각의 출력 레그(output leg)에서의 삽입손실은 11.3dB 이하이다.
상기 실시예에 따라 제조된 커플러들은 통상적으로 1430 nm에서 약 1.0 dB의 최소 초과 디바이스 손실을 나타낸다. 측정된 가장 낮은 초과손실은 0.8 dB이다.
실시예 3
1×8 커플러는 관이 반경에 따른 조성물 변화도를 갖는 점을 제외하고는 실시예 2에 기술된 방법과 유사한 방법으로 제조된다. 보어(제6도의 ris에서 rt까지)에 인접한 300㎛ 두께의 영역은 0.5wt.% B2O3으로 도핑된 SiO2로 구성된다. Δ2-3의 값은 1300 nm에서 0.022%인 것으로 추측된다. 관의 나머지 부분은 8.2wt.% B2O3으로 도핑된 SiO2로 구성된다. 스펙트럼 삽입손실 곡선이 제16도에 도시되어 있다. 상기 커플러의 초과손실은 1310 nm, 1430 nm, 및 1550 nm에서 각각 1.8 dB, 0.9 dB 및 2.0 dB이다. 삽입손실은 300 nm의 파장에서 약 1565 nm까지의 범위에 걸쳐 있는 상기 커플러의 각 출력 레그에서 11.1 dB 이하이다.
실시예 4
1×6 커플러는 하기 차이점을 제외하고는 실시예 2에 기술된 방법과 유사한 방법으로 제조된다. 3.8cm 길이, 2.8mm 외경 및 380㎛ 종방향 보어 직경을 갖는 유리 모세관이 사용된다.; 상기 관은 8.0wt.% B2O3및 2.5wt.% GeO2로 도핑된 SiO2로 제조되고, 조성은 상기 관의 반경전역에 걸쳐 비교적 균일하다. Δ2-3값은 1300 nm에서 0.02% 이다. 6개의 링 섬유들이 동일한 직경의 중심섬유 주위에 동일한 간격으로 있기 때문에, 스페이서 링은 사용되지 않는다. 섬유 삽입도구는 단지 350㎛ 직경의 우레탄 아크릴레이트 코팅을 갖는 125㎛ 외경의 광섬유의 일부분이다; 약 2.5cm의 코팅이 섬유의 말단으로부터 벗겨진다. 이러한 "섬유(fiber)" 도구는 모세관의 내부 표면 주위에 6개의 섬유를 삽입하기 위하여, 제12도에 관련되어 기술된 "스페이서 관(spacer tube)" 도구와 동일한 방법으로 사용된다. 상기 도구는 제거되고 중심섬유로 대체된다. 진공의 45.7cm의 수은주가 관이 붕괴하는 단계 동안 관보어에 적용된다.
가스 및 산소가 각각 0.55 slpm 및 1.1 slpm의 속도로 버너에 흘려보내면서, 그것을 섬유로 붕괴시키기 위하여 화염이 약 18초 동안 관을 가열한다. 관이 냉각된 후에, 가스 및 산소는 상기 속도와 동일한 속도로 흘려보내면서, 버너는 재점화된다. 붕괴된 영역의 중심부가 10초 동안 가열된 후, 버너에 공급되는 산소공급을 중단한다. 중간영역(27)의 중심부가 0.6cm 신장될 때까지 제어대(45 및 46)를 1.0cm/sec의 조합속도로 서로 반대방향으로 끌어당긴다.
스펙트럼 삽입손실 곡선이 제17도에 도시되어 있다. 상기 커플러에 대한 최소 초과손실은 1460 nm에서 0.54 dB 이다. 삽입손실은 1260 nm에서부터 1580 nm에 이르는 상기 커플러의 각 출력 레그에서의 9.1 dB보다 작고, 1285 nm에서부터 1575 nm에 이르는 9.0 dB보다 작다. 절대 기울기는 1310 nm에서 0.0033 dB/nm [0.010 %/nm] 이며, 1550 nm에서는 0.0043 dB/nm [0.013 %/nm] 이다.
실시예 5
비교하기 위하여, 1×6 커플러는 관 굴절율이 Δ2-3이 약 0.5%가 되도록 하는 점을 제외하고는 실시예 4에 기술된 방법과 유사한 방법으로 제조된다. 보어에 인접한 지역의 관 조성은 2wt.% B2O3및 2wt.% F로 도핑된 SiO2로 한다. 결과적인 커플러는 실시예 4의 커플러보다 높은 삽입손실(제 18도 참조)을 나타내고, 스펙트럼 삽입손실 곡선은 실시예 4보다 큰 기울기를 나타낸다. 다양한 섬유 패킹 배열(packing arrangements)이 특수한 실시예와 관련하여 설명된다. 제19∼21도에 관하여 하기에 기술된 변형들은 다른 종류의 1×N 커플러 또는 스플리터의 제조에 사용된다. 이러한 도면들에 의하면, 큰 원 내에 집중되어 있는 작은 원은 광섬유 내에 있는 코어를 나타낸다. 작은 원을 가지지 않는 큰 원은 코어를 갖지 않고 관보다 약간 짧은 길이를 갖는 "더미(dummy)" 섬유를 나타낸다. 더미 섬유의 조성은 더미 섬유의 굴절율이 관의 굴절율과 동일하거나 거의 동일하도록 한다. 더미 섬유들은 관과 같은 물질로 제조될 수 있다.
1×3 스플리터 내의 섬유들은 제19도에 도시된 바와 같이 배열될 수 있다. 커플러 예형은 모든 전력이 디바이스가 하나의 창에서 작동하는지 또는 두 개의 창에서 작동하는지에 의존하는 관련 파장 또는 파장들에서 중심섬유로부터 3개의 링섬유로 커플링될 때까지 신장된다.
제19도에 도시된 배열 또한 신장 작동이 완료된 후에, 중심섬유에 남아있는 동일한 양의 전력이 3개의 링 섬유의 각각에 커플링되어, 1×4 스플리터에 사용될 수 있다.
제20도에 도시된 배열은 신장 작동이 완료된 후에, 중심섬유에 남아있는 동일한 양의 전력이 4개의 링 섬유의 각각에 커플링되어, 1×4 스플리터(모든 전력이 중심섬유로부터 4개의 링섬유로 커플링되도록 신장시킴으로써) 또는 1×5 스플리터를 제조하는데 유사하게 사용될 수 있다.
유사한 방법으로, 제 21도에 도시된 섬유배열은 1×6 또는 1×7 스플리터를 제조하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 원리는 먼저 다수의 광섬유들을 용응 및 신장시키고, 그 후 오일(oil), 에폭시(epoxy) 등과 같이 적절한 굴절율의 광매체에 커플링 영역을 침지하거나(potting) 또는 담금으로써(immersing) 용융된 섬유 커플러에 적용하는 것이 가능할 것이다. 상기 커플러의 단점은 광매체의 굴절율이 온도에 민감할 수 있다는 것이다.
제1도는 오버클래드(overclad) 2× 2 커플러의 단면도.
제2도는 1×8 커플러에 대한 최소 평균 삽입손실(minimum average insertion loss) 대 링섬유-대-중심섬유(ring fiber-to-center fiber)의 염소 차이(chlorine difference)를 나타낸 그래프.
제3도는 0.35%의 Δ2-3값을 갖는 2×2 스위치(switch) 커플러에 대한 3개의 서로 다른 파장에서의 커플링 상수(coupling constant) 대 역 인발비(inverse draw ratio)를 나타낸 그래프.
제4도는 서로 다른 인발비 및 커플링 거리를 갖지만 유사한 커플링을 갖는 두개의 관의 외부표면의 개략도.
제5도는 방정식(7)의 차이변수인 "NAT 차이"를 1310nm와 1550nm의 파장에서의 Δ2-3의 함수로서 나타낸 그래프.
제6도는 소정의 관에 대하여 관의 반경의 함수로서 나타낸 굴절율(refractive) 그래프.
제7도는 광섬유들이 삽입된 후, 한쪽 말단부에 부착된 진공 클램프(vacuum clamp)를 갖는 모세관(capillary tube)의 단면도.
제8도는 모세관을 붕괴시키고 그 중간 영역을 신장시키는 장치의 개략도.
제9도는 고체상태의 중간영역을 형성하기 위하여 섬유 주위에 있는 유리관을 붕괴시킨 부분 단면도.
제10도는 인발된 후 그 말단부가 밀봉된 광섬유 커플러의 부분 단면도.
제11도는 실시예 1의 방법에 의해 제조된 무색(achromatic) 2×2 커플러에 대한 스펙트럼 커플링비 곡선을 나타낸 그래프.
제12도는 섬유 삽입단계를 설명하기 위한 모세관의 단면도.
제13도는 섬유의 말단부 위에 있는 스페이서 관(spacer tube)의 단면도.
제14도는 모든 광섬유들이 삽입된 후의 상태를 나타낸 제12도의 커플러 예형의 부분 단면도.
제15도는 실시예 2의 방법에 의해 제조된 무색 1×8 커플러에 대한 스펙트럼 커플링비 곡선의 그래프.
제16도는 실시예 3의 방법에 의해 제조된 무색 1×8 커플러에 대한 스펙트럼 커플링비 곡선의 그래프.
제17도는 실시예 4의 방법에 의해 제조된 무색 1×6 커플러에 관한 스펙트럼 커플링비 곡선의 그래프.
제18도는 실시예 5의 방법에 의해 제조된 비-무색성(non-achromatic) 1×6 커플러의 스펙트럼 커플링비 곡선의 그래프.
제19도 내지 제21도는 스플리터 내의 입력섬유 주위에 N개의 링섬유(N＞2)를 배열시킨 것을 나타낸 도면.

Claims (16)

  1. 매트릭스 유리 본체; 및
    상기 본체를 통하여 뻗어있는 다수의 광 도파관 경로를 포함하되, 상기 각각의 경로는 코어 영역의 굴절율보다 작은 굴절율의 클래딩 영역으로 둘러싸인 코어 영역을 포함하고, 상기 경로의 클래딩 영역의 가장 낮은 굴절율은 n2이며,
    커플링 영역을 형성하도록 상기 광 도파관 경로들 중 하나의 일부가 상기 경로들 중 다른 경로에 인접하여 배치되며,
    상기 경로에 인접한 상기 본체 영역의 굴절율이 n3이고, Δ2-3값이 0.07% 미만이 되도록 n3은 n2보다 낮으며, 여기에서 상기 Δ2-3값은 (n2 2-n3 2)/2n2 2인 것을 특징으로 하는 무색 커플러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도파관 경로는 광섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 무색 커플러.
  3. 제2항에 있어서, 상기 매트릭스 유리는 상기 섬유가 본체를 통하여 종방향으로 뻗어있는 실린더형 본체이고, 상기 본체는 제1 및 제2의 대향되는 말단부 및 중간영역을 가지며, 상기 중간영역의 중심부의 직경 및 상기 중간영역의 중심부 내에 있는 광섬유의 직경은 상기 본체의 말단부의 중심부의 직경 및 광섬유의 직경보다작은 것을 특징으로 하는 무색 커플러.
  4. 제1 및 제2의 대향되는 말단부 및 중간영역을 갖는 매트릭스 유리의 신장된 본체,
    상기 본체를 통하여 종방향으로 뻗어 있는 다수의 광섬유로 이루어지되, 상기 각각의 섬유는 코어의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 클래딩으로 둘러싸인 코어로 이루어지고, 상기 다수의 광섬유의 클래딩의 가장 낮은 굴절율이 n2이며,
    상기 섬유에 인접한 상기 본체 영역의 굴절율은 n3이고, Δ2-3값이 0.07% 미만이 되도록 상기 n3은 n2보다 낮으며, 여기에서 Δ2-3은 (n2 2-n3 2)/2n2 2이고,
    상기 중간영역의 중심부 직경 및 상기 중간영역의 중심부에 있는 상기 광섬유의 직경은 상기 본체의 말단부에 있는 중심부의 직경 및 광섬유의 직경보다 작고, 이로 인해 상기 섬유들 중 하나에서 전파되는 광전력의 일부가 상기 섬유들 중 다른 것에 커플링되는 것을 특징으로 하는 무색 광섬유 커플러.
  5. 제4항에 있어서, 상기 M개의 광섬유가 상기 본체의 제1말단부로부터 뻗어있고, N개의 광섬유가 상기 본체의 제2말단부로부터 뻗어있으며, 여기에서 M≥1 이고 N≥2인 것을 특징으로 하는 무색 광섬유 커플러.
  6. 제4항에 있어서, 상기 섬유 중 적어도 하나의 클래딩 굴절율 n2’는가 0.03%보다 크지 않도록 n2보다 크며, 여기에서는 (n2 2-n2’2)/2n2 2인 것을 특징으로 하는 무색 광섬유 커플러.
  7. 제4항에 있어서, 상기 매트릭스 유리는 2.8 wt.% 까지의 B2O3으로 도프된 SiO2로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무색 광섬유 커플러.
  8. 제1항에 있어서, 상기 Δ2-3값은 0.045% 미만인 것을 특징으로 하는 무색 커플러.
  9. 제5항에 있어서, 상기 Δ2-3값은 0.045% 미만인 것을 특징으로 하는 무색 광섬유 커플러.
  10. 신장되어 있고 도파관 경로 사이에서 커플링을 유도하도록 좁은 커플링 영역내에 있는 다른 도파관 경로에 인접하는 적어도 두 개의 인접하는 도파관 경로를 포함하되, 각각의 도파관 경로는 코어 영역의 굴절율보다 작은 굴절율의 클래딩 영역으로 둘러싸인 코어 영역을 포함하고, 상기 도파관의 클래딩 영역의 가장 낮은굴절율은 n2이며,
    상기 커플링 영역은 굴절율 n3의 매트릭스 물질로 둘러싸여 있고, Δ2-3값이 0.045% 미만이 되도록 n3은 n2보다 낮으며, 여기에서 상기 Δ2-3값은 (n2 2-n3 2)/2n2 2인 것을 특징으로 하는 광 커플러.
  11. 제10항에 있어서, 상기 도파관 경로는 광섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 커플러.
  12. 제11항에 있어서, 상기 매트릭스 유리는 상기 섬유가 본체를 통하여 종방향으로 뻗어 있는 신장된 본체이며, 상기 본체는 제1 및 제2의 대향되는 말단부 및 중간영역을 갖고, 상기 중간영역의 중심부의 직경 및 상기 중간영역의 중심부 내의 광섬유의 직경은 상기 본체의 말단부에서의 중심부의 직경 및 광섬유의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 광 커플러.
  13. 제12항에 있어서, 상기 본체는 실린더 형태인 것을 특징으로 하는 광 커플러.
  14. 매트릭스 유리 본체; 및
    상기 본체를 통하여 뻗어 있는 다수의 광섬유로 이루어지되, 상기 각각의 광섬유는 코어 영역의 굴절율보다 작은 굴절율의 클래딩층으로 둘러싸인 코어를 포함하고, 상기 광섬유의 클래딩층의 가장 낮은 굴절율은 n2이며,
    커플링 영역을 형성하도록 상기 광섬유 중 하나의 광섬유의 적어도 일부가 상기 광섬유 중 다른 것에 인접하여 배치되며,
    상기 경로에 인접한 상기 본체 영역의 굴절율이 n3이고, Δ2-3값이 0.045% 미만이 되도록 n3은 n2보다 낮으며, 여기에서 상기 Δ2-3값은 (n2 2-n3 2)/2n2 2인 것을 특징으로 하는 커플러.
  15. 매트릭스 유리 본체, 및
    상기 본체를 통하여 뻗어 있는 다수의 광섬유로 이루어지되, 상기 각각의 섬유는 코어의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 클래딩층으로 둘러싸인 코어를 포함하며, 상기 섬유 중 하나가 상기 본체의 양 말단부로부터 뻗어 있고 N개의 섬유가 상기 본체의 단지 하나의 말단부로부터 뻗어 있으며, 여기에서, N≥3임,
    상기 N개의 섬유는 각각의 N개의 섬유의 일부가 상기 하나의 섬유의 일부에 근접하여 배치되는 커플링 영역에 있는 하나의 섬유 주위에 동일한 간격으로 떨어져 있으며,
    상기 N개의 섬유의 클래딩층의 굴절율은 상기 하나의 섬유의 클래딩층의 굴절율과는 다르고, 상기 하나의 섬유의 클래딩층의 굴질율이 n2'이면 상기 N개의 섬유의 클래딩층의 굴절율은 n2이고, 상기 하나의 섬유의 클래딩층의 굴절율이 n2이면 상기 N개의 섬유의 클래딩층의 굴절율은 n2'이며, n2는 n2'보다 작으며,
    상기 경로에 인접한 상기 본체의 영역의 굴절율은 n3이고, Δ2-3값이 0.125% 미만이 되도록 n3은 n2보다 낮으며, 여기에서 상기 Δ2-3값은 (n2 2-n3 2)/2n2 2인 것을 특징으로 하는 무색 커플러.
  16. 제1 및 제2의 대향되는 말단부 및 중간영역을 갖는 매트릭스 유리의 신장된 본체,
    상기 본체를 통하여 종방향으로 뻗어 있는 다수의 광섬유로 이루어지되, 상기 각각의 섬유는 코어의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 클래딩으로 둘러싸인 코어를 포함하고, 상기 다수의 광섬유의 클래딩의 가장 낮은 굴절율은 n2이며,
    값이 0.03% 이하가 되도록 상기 섬유 중 적어도 하나의 클래딩 굴절율은 n2보다 작으며, 여기에서,는 (n2 2-n2'2)/2n2 2이고,
    상기 섬유에 인접한 본체 영역의 굴절율은 n3이고, Δ2-3값이 0.125% 미만이 되도록 n3은 n2보다 낮으며, 여기에서 상기 Δ2-3값은 (n2 2-n3 2)/2n2 2이고,
    상기 중간영역의 중심부의 직경 및 상기 중간영역의 중심부에 있는 광섬유의직경은 상기 본체의 말단부에서의 중심부의 직경 및 광섬유의 직경보다 작으며, 이로 인해 상기 섬유 중 하나에서 전파하는 광전력의 일부가 상기 섬유의 다른 것에 커플링하는 것을 특징으로 하는 무색 광섬유 커플러.
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