KR100323207B1 - 마하-젠더(Mach-Zehnder)디바이스및이의제조방법 - Google Patents
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Abstract
환경적으로 안정한 모놀리드형 마하-젠더 디바이스는 서로 다른 제1 및 제2 광섬유들을 유리관의 구멍을 통하여 밀어 넣음으로써 제작된다. 그 다음, 관을 진공상태로 만들고 이를 가열하여 섬유들 위로 함몰시킨다. 상기 관을 두 개의 서로 떨어져 있는 지점에서 좀 더 가열 및 신장시켜 두 개의 광섬유들에 의해 결합된 두개의 커플러들을 제작한다. 상기 섬유들은 두 개의 커플러 사이의 영역에서 서로 다른 전파상수를 가지며, 이에 의해 상기 섬유들 중 하나에 전달되는 광신호에 대하여 다른 섬유에 전달되는 광신호에서 상대적인 지연시간이 존재하게 된다.
Description
본 발명은 환경적으로 안정한 마하-젠더(Mach-Zehnder) 디바이스 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
협소대역 파장분할 다중송신(Wavelength Division Multiplex, WDM) 커플러 및 필터에 대한 수요가 나타나고 있다. 상기와 같은 디바이스들은 에르븀 섬유 증폭기의 이득 스펙트럼을 변형시키기 위해 l55Onm 창(window)에서 요구된다. 상기 디바이스들은 광섬유와 가입자선(fiber-to-the-subscriber)을 연결시키는 설계분야(architecture) 뿐만 아니라 중계선(trunk lines)에 또한 널리 사용될 것이다.
파장 조절부품 및 고정 파장부품에 대한 필요성이 있다. 모든 광 네트워크에 있어서, 예를 들면, 상기 디바이스는 원하는 입력 신호를 검출할 수 있도록 수신기단부(receiver end)에서 조절될 수 있다. 제 2의 접근방법에서는, 조절 가능한 레이저를 사용하여 다수의 신호(signal)를 보내고, 고정된 필터를 가지는 수신기를 사용함으로써 원하는 신호를 검출한다. 전송 시스템으로는 고정된 레이저와 필터를 또한 사용할 수 있었다. 이러한 필터의 파장 분리성능은 1nm만큼 작은 것에서 수십 nm정도의 것까지 요구된다. 더욱이, 이러한 부품들은 환경적으로 안정하고 매우 신뢰성이 있을 것이 요구된다.
마하-젠더 필터는 이러한 협소대역 파장성능으로 잘 알려져 있다. 1nm만큼 협소한 통과 밴드(pass bands)를 가지는 필터들은 두 개의 무한소형 커플러들(evanescent couplers)을 상기 커플러 사이에서 서로 다른 섬유길이로 결합시킴으로써 제조된다는 것이 제안되었다. Optical Fiber Communication, Minitutorial Sessions, January 22-26, 1990, pags 256(part of a presentation on "Dense WDM Techniques" by C. A. Brackett)에 대한 OFC Conference를 참조하자. 그러나, 이러한 접근방법으로는 재생성 및 환경적인 안정성을 달성하기에는 곤란하다. 그 이유는 결합섬유들이 온도변화 및 무질서한 굽힘력과 같은 외부 불안정 조건에 직면해 있기 때문이다.
따라서, 본 발명의 목적은 환경적으로 안정한 마하-젠더 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 온도구배에 민감하지 않으며 불의의(inadvertent) 휨을 야기시키는 경향이 있는 힘에 견딜 수 있는 마하-젠더 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개량된 마하-젠더 디바이스를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
간략히 말해서, 본 발명은 서로 다른 제 1 및 제 2 광섬유들이 연장되어 있는 매트릭스 유리로 이루어진 신장본체(elongated body)를 포함하는 마하-젠더 디바이스에 관한 것이다. 상기 본체는 위상 변이 영역(phase shift region)을 포함하는데, 상기 본체에서 섬유들은 서로 다른 전파상수를 가짐으로써 광신호가 위상 변이 영역에서 서로 다른 속도로 광섬유들을 통하여 전파된다. 상기 본체는 위상변이영역의 반대쪽 단부에서 두 개의 격치된(spaced) 커플러 영역을 더 포함한다. 상기 본체의 직경 및 섬유의 직경은 위상변이영역 내에서보다는 커플러 영역 내에서 더 작다.
본 발명은 모놀리드형 마하-젠더 디바이스의 제조방법에 관한 것이다. 다수의 광섬유들은 이후 진공상태로 될 유리관(glass tube)의 구멍(bore) 내부로 삽입된다. 상기 관은 가열되어 관의 제1 영역이 섬유들 위로 함몰된다. 상기 함몰된 제 1영역의 중간부는 신장되어 제1 커플링 영역을 형성한다. 상기 관의 제2 영역이 가열되어 제2 관 영역이 섬유들 위로 함몰된다. 상기 함몰된 제 2 영역의 중간부는 신장이어 제1 커플링 영역으로부터 격치되어 있는 제2 커플링 영역을 형성한다.
관을 함몰 및 신장시키는 데에는 두 가지의 서로 다른 방법들이 있다. 제1 및 제2 영역, 그리고 상기 두 영역 사이에 있는 관의 전체부분은 제1 및 제2 영역이 신장되기 전에 함몰될 수 있다. 예를 들면, 제1 관 영역은 관이 섬유들 위로 함몰될 수 있도록 가열될 수 있으며, 가열원(source of heat)은 제2 관 영역에 도달될 수 있을 때까지 관에 대하여 이동될 수 있다. 상기 관의 제1 및 제2 영역은 그 다음 순차적으로 신장될 수 있다. 이러한 구체예에서, 상기 섬유들은 두 개의 커플링 영역사이의 관의 부분에서 관의 매트릭스 유리에 끼워진다.
선택적으로, 제1 관 영역은 제2 관 영역의 함몰 및 신장에 앞서서 함몰되고 신장될 수 있다. 이러한 구체예에서, 관은 두 영역사이에 공동(cavity)을 형성시킨다. 섬유들은 상기 공동을 통하여 연장되며 두개의 커플링 영역 사이의 영역 내에서는 매트릭스 유리와 최소한으로 접촉된다.
본 발명에 따르면, 마하-젠더 디바이스(제1도)는 위상 변이영역(14)에 의해 결합되어 있는 연쇄형(concatenated) 오버클래드(overclad) 커플러(11 및 12)를 포함하는 모놀리드형 구조로 제조된다. 상기 디바이스는 광섬유(16 및 17)를 매트릭스 유리(19)의 관의 구멍(18)에 삽입시킴으로써 제조된다. 상기 각각의 광섬유는 코어보다 더 작은 굴절율을 갖는 클래딩(cladding)에 의해 둘러싸여 있는 코어를 갖는다. 광섬유 코어들은 서로 다른 굴절율, n1및 n1'를 가질 수 있으며, 광섬유 클래딩은 서로 다른 굴절율, n2및 n2'를 가질 수 있다. 섬유(16 및 17)의 코어 내의 도트(dot)의 다른 밀도는 굴절율의 차이를 나타낸다. 섬유들에 인접해 있는 매트릭스 유리관의 부분의 굴절율 n3는 섬유 클래딩 중 어느 하나의 최저 굴절율인 n2'보다 낮다. 구멍의 각각의 단부에는 깔때기 형상부(funnels, 도시되지 않음)가 제공되어 광섬유의 삽입을 용이하게 할 수 있다. 여기에서, 관과 섬유들의 결합이 커플러 예형(preform)으로 언급된다.
커플러 예형은 제3 도의 인발장치에서 좀 더 가공될 수 있다. 예형(31)은 링버너(ring burner, 34)를 통하여 삽입되고 모터 조절단(motor controlled stages, 45 및 46)위에 장착되어 있는 인발척(draw chucks, 32 및 33)에 고정(clamp)되어 있다. 섬유들은 진공 부착부(vacuum attachments, 41 및 41')를 통하여 지나가며, 그후 상기 부착부는 예형(31)의 단부에 의해 밀봉된다. 전형적인 진공 부착부들은미합중국 특허 제 5,011,251호에 개시되어 있다. 진공은 라인(42)을 통하여 관(41)에 공급된다. 얇은 고무 튜빙(tubing, 43)의 길이방향의 하나의 단부는 예형(31)의 반대쪽에 있는 진공 부착부(41)의 단부에 부착된다; 상기 튜빙의 나머지 단부는 관 고정(clamp) 수단(도시되지 않음)내에 연장되어 있다. 이와 유사하게, 상부 진공 부착부(41')는 라인(42'), 튜빙(43') 및 관 고정 수단(clamping means)과 연결되어 있다. 상기 섬유의 코팅부는 튜빙(43 및 43')으로부터 연장되어 있고, 점 a 및 b의 사이에 있는 관 내부의 섬유부분은 코팅되어 있지 않다. 화살표 44, 44'로 지시한 바와 같이 공기압력이 튜빙(43 및 43')에 대하여 유도되어 튜빙을 통하여 연장되어 있는 섬유들에 대해 튜빙을 고정할 때, 구멍(14)은 라인(42 및 42')을 통하여 진공상태로 된다.
하나의 구체예에서, a와 b 사이에 있는 관 부분은 초기에는 섬유상으로 함몰된다. 예형이 척(32 및 33)에 고정되고 관의 구멍이 진공상태로 된 후, 관의 제1 단부(23) 주위가 가열되어 가열부에서 상기 단부가 함몰된다. 척(32 및 33)은 버너에 대해 예형을 이동시켜 원하는 길이의 함몰된 관이 얻어질 때까지 단부(24) 방향으로 점차적으로 함몰된 영역을 연장시킨다.
선택적인 공정에 있어서, 척(32 및 33)은 고정될 수 있으며 버너(34)는 모터 조절단(35)위에 장착될 수 있다. 버너(34)는 처음에는 단부(23) 근처에 배치되어 상기 단부를 용융시킨다; 모터 조절단(35)은 예형에 대해 버너를 이동시켜 단부(24) 방향으로 함몰된 영역을 연장시킨다.
그 다음, 커플러(11)는 관의 일부지역을 가열하고 컴퓨터 조절단(computercontrolled stages, 45 및 46)을 서로 반대방향으로 이동시켜 가열된 지역을 신장시킴으로써 관의 단부(23) 주위에 형성된다. 관의 신장공정은 미국특허번호 제5,011,251호에 따라 수행될 수 있다. 관의 두 개의 단부가 서로 떨어져 이동하는 속도는 결합된 신장속도를 이루게 된다. 관은 일정속도로 신장될 수 있거나, 또는 신장속도는 연속적 또는 불연속적인 단계로 변화될 수 있다. 신장공정은 미리 결정된 커플링이 달성된 후 중단될 수 있다; 그 후, 관은 재가열될 수 있으며, 제2 신장속도로 신장이 일어날 수 있다. 영역(21)은 비록 그 내부에서 약간의 테이퍼(taper)가 존재함으로써 영역(21)의 종방향 중심이 최소직경을 나타냄에도 불구하고 일정한 직경을 가지는 것으로 도시된다. 결과로서 얻어지는 커플러의 커플링 특성은 매트릭스 유리(19) 및 섬유(16 및 17)의 광학적 및 기계적 특성과 같은 매개변수(parameters)와 넥다운(neckdown) 및 점감된(tapered) 영역의 길이 및 형태와 같은 커플러 매개변수(parameter)에 의해 결정된다는 사실은 잘 알려져 있다.
관을 신장시켜 제 1 커플러를 제조하는 동안, 광전력(optical power)은 입력 광섬유에 커플링(coupling)될 수 있고, 출력 신호가 모니터(monitor)되어 커플러 제조공정에서의 작업단계를 제어할 수 있다. 하기에서 기술되는 구체예에서, 출력 전력(oupout power)은 신장 공정동안 제어목적으로는 모니터되지 않았다. 오버클래드 광섬유 커플러에 대한 이전의 경험에서는, 각 커플러의 제조 공정동안 2단계에 따른 총 신장거리는 통상 12 내지 l6mm이었다. 그러므로, 상기 구체적인 실시예에서 사용된 형태의 커플러들은 처음에는 상기 범위내의 일정 거리까지 신장되었다.그 다음, 상기 디바이스의 광학적 특성을 측정하였으며, 뒤이어 제조된 커플러들의 신장 또는 연장거리는 원하는 특성을 좀 더 근접하게 달성할 수 있는 방법으로 조절하였다. 이러한 공정에 의하여, 최적의 신장거리가 달성되었다. 상기 구체예의 마하-젠더 디바이스를 제조할 경우, 제1 커플러는 원하는 광학적 특성을 달성할 수 있도록 최적거리로 신장되었다. 그 후, 하나의 신호를 입력섬유에 제공하였으며, 원하는 커플링 비(coupling ratio)가 달성되었다는 것을 확인할 수 있도록 출력을 모니터하였다.
필터 또는 WDM 커플러로서 최적의 성능을 가지기 위해서는, 커플러(11 및 12)는 실질적으로 동일한 커플링 특성(coupling characteristics)을 가져야 한다. 그러므로, 관의 적합한 영역에 제1 커플러의 제작에 사용된 신장조건과 동일한 신장조건을 제공함으로써 제2 커플러는 바람직하게는 관의 단부(24) 부근에서 형성된다.
커플러(11 및 12)는 무색(achromatic) 또는 WDM 타입이 될 수 있으나, 만약 무색 커플러가 사용된다면 마하-젠더 디바이스는 보다 더 넓은 파장범위에 걸쳐서도 유용할 것이다. 무색특성을 얻기 위해서는 다양한 방법들이 사용될 수 있다.
미국특허번호 제5,011,251호에 따르면, 제1 커플러 섬유의 클래딩 굴절율 n2가 제2 커플러 섬유의 클래딩 굴절율 n2'와 일정한 양만큼 다르도록 제조하여, △CLADS=((n2 2-n2'2)/2n2 2)로 정의되는 △CLADS값이 0보다는 크고 0.03%보다는 작도록함으로써 무색특성이 달성된다. 굴절율 n2와 n2'의 차이는 전술한 바와 같아서 커플러는 파장대에 걸친 파장에 따른 커플링 비(coupling ratio)에 있어서의 변화를 거의 나타내지 않는다는 점이다.
1992년 7월 15일자에 출원된 "Achromatic Overclad Fiber Optic Coupler"이라는 명칭의 미국특허출원번호 제913,390호에 따르면, 만약 커플링 영역을 둘러싸는 매트릭스 유리본체의 굴절율 n3가 n2보다 일정한 양만큼 낮아서 △2-3=((n2 2-n3 2)/2n2 2)로 정의되는 △2-3값이 0.125%보다 작다면, 커플러는 무색으로 제작될 수 있다. 만약, 섬유 클래딩들이 서로 다른 굴절율을 갖는다면, 최저 클래딩 굴절율은 △2-3값을 결정하는데 사용된다.
마하-젠더 필터의 섬유들 중 단지 하나만이 디바이스로부터 연장될 필요가 있다. 디바이스가 제조된 후에는, 상기 디바이스로부터 연장되어 있는 섬유(17)의 바로 그러한 부분들이 절단될 수 있다. 바람직하게는, 절단된 섬유(17)의 말단에 그 다음 반사방지용 종결부(termination)가 제공된다.
제4도는 제1도의 성분들과 유사한 부재들이 프라임 부호(')로 표시되어 있는 (primed) 선택적인 구체예를 나타낸다. 섬유(17')는 모세관 길이보다 약간 더 긴 길이로 절단될 수 있으며, 코팅된 물질이 완전히 벗겨질 수 있다. 반사방지용 종결부는 섬유의 말단 근처로 불꽃(flame)을 향하게 하고 가열영역에서 섬유들을 당기고 절단함으로써 섬유(17')의 각 말단 위에서 형성될 수 있다. 상기 가열영역의 첨단부(tip)는 버너 불꽃에 의해 가열되어 유리를 수축시켜 둥근 단부면(25)을 형성하며, 상기 단부면의 직경은 처음부터 코팅되지 않은 섬유의 직경보다 약간 작거나 또는 동일하였다. 반사방지용 종결부가 섬유의 양단부에서 제조된 후, 이의 길이는 모세관보다 약간 더 짧아진다. 섬유(17')는 깔때기 형상부(funnel; 25)를 통하여 섬유(16')의 벗겨진 부분과 함께 매트릭스 유리 모세관의 구멍으로 삽입된다. 그 다음, 디바이스는 상술한 바와 같이 제조된다. 섬유(16')의 일 단부는 두개의 입력포트(port)로 작용하며, 이의 다른 단부는 결과로서 얻어지는 디바이스의 출력포트로 작용한다.
제5도는 종래의 마하-젠더 디바이스의 개략도를 나타낸다. 2개의 커플러 Cl및 C2는 광섬유 Fl및 F2에 의해 연결된다. 무한소(evanescent) 형 커플러인 상기 커플러들은 통상 3dB 커플러이며, 이에 의해 입력포트(2)에 제공된 광전력(optical power)은 예를 들면 커플러 Cl의 두 개의 출력 사이에서 골고루 분할된다. 상기 섬유들 중 하나는 광경로 길이의 차이를 부여하기 위한 OPLD 수단을 가짐으로써 커플러 C2의 2 개의 입력부 사이에서 위상변이가 존재한다. 종래에는 예를 들면, 서로 다른 길이의 섬유 Fl및 F2를 사용하거나 위상 변이수단을 섬유들 중 하나에 삽입함으로써 위상변이가 제공되었다. 이러한 마하-젠더 디바이스들은 필터링 또는 전환(switching) 기능을 제공하는데 사용되었다. 그러나, 상기 디바이스들은 섬유들(Fl및 F2)중 하나에 대한 다른 섬유의 휨뿐만 아니라 상기 섬유들 사이의 온도차에 매우 민감하였다.
본 발명에 따르면, 커플러(11 및 12)를 연결시키는 섬유의 부분(16' 및 17')은 매트릭스 유리(19)내에 배치되어 바람직하지 않은 주변조건으로부터 커플러들을 보호한다. 예를 들면, 만약 위상 변이영역(14)이 온도구배에 놓인다면, 매트릭스 유리의 효과로 인하여 두개의 섬유들은 필수적으로 동일한 온도를 경험한다. 매트릭스 유리는 또한 휨에 견딜 수 있으며, 이에 의해 하나의 섬유가 다른 섬유에 대해 우연하게 신장되지 않는다.
위상 변이영역(14)을 통하여 연장되어 있는 섬유(16' 및 17') 부분의 길이가 동일하기 때문에, 그러한 섬유 부분들은 하나의 커플러(11)에서부터 다른 커플러(12)까지 공급된 2개의 신호 사이에 필요한 위상변이를 제공할 수 있도록 상기 영역(14)내에서 서로 다른 전파상수(propagation constant)를 가져야 한다. 이것은 서로 다른 광섬유를 사용함으로써 달성된다. 예를 들면, 섬유(16)의 코어 직경 및/또는 굴절율 프로파일(profile)은 섬유(17)의 그것과 달라질 수 있다. 섬유(16 및 17)의 전파상수가 상기 영역(14)에서 서로 다름에도 불구하고, 커플러(11 및 12)의 넥다운 영역에서는 실질적으로 동일한데, 그 이유는 신장된 커플링 지역에서는 섬유의 코어직경이 매우 작기 때문이다. 커플러 섬유(16 및 17)의 코어 직경 및/또는 굴절율 프로파일 사이의 차이로 인하여 커플러(11 및 12)의 커플링 영역(coupling region) 외곽에 있는 그러한 섬유들에 전파되는 기본모드의 전달상수(△β) 사이에 차이가 존재한다. 서로 다른 코어들이 커플링 영역(△βCR) 내부의 그러한 섬유들에 전파되는 기본모드의 전파상수에 미치는 효과는 그다지 현저하지 않은데, 그 이유는 그러한 영역에 있는 코어의 크기는 매우 작기 때문이다. 섬유의 클래딩 직경이 충분히 작아질 때에는, 코어와 클래딩의 복합체는 커플링 영역에서 도파관의 광 유도부로서 기능하며, 주위의 저굴절율 매트릭스 물질이 클래딩으로 작용한다. 따라서, 전력(power)은 커플링 영역 내에서 인접한 섬유 클래딩 사이에 전파된다.
제5도의 디바이스의 예상 파장 분리점은 하기와 같이 계산된다. 섬유 Fl및 F2의 전파상수가 동일한 전형적인 마하-젠더 디바이스의 경우, 출력 레그(leg) 내에서의 전력은
P = COS2(3.1416 ·dL/λ) (1)
이고, 상기에서 dL은 섬유 Fl및 F2의 광경로 길이의 차이다. 서로 다른 코어 굴절율을 사용하여 광경로 길이의 차를 얻어내는 디바이스의 경우, 출력 전력(output power)은
P = COS2(3.1416 ·L ·dn/n ·λ) (2)
이다.
서로 다른 코어들이 광경로 길이에 미치는 효과는 단일모드 유도부의 전력의 절반이 코어 내에 있다고 가정하여 섬유의 델타(delta, △)를 증가시킴으로써 평가될 수 있다. 굴절율은 대략 다음과 같이 효과적으로 변화된다.
dn/n = (△1-2+ △1-2')/2 (3)
상기에서, △1-2는 (nl 2-n2 2)/(2nl 2) 및 △1-2'는 (nl'2-n2 2)/(2nl'2)이며, nl및 nl'은 각각 코어(16 및 17)의 굴절율이다. 제1도의 2개의 섬유들 사이의 경로길이의 차는 다음과 같다.
dn/n = (△1-2+ △1-2')/2-2 △1-2/2
(△1-2' - △1-2)/2 (4)
방정식 4는 방정식 2에 삽입되어 다음을 얻을 수 있다.
P = COS2(3.1416 ·L ·(△1-2'- △1-2)/λ) (5)
방정식 5는 제6도에 도시되어 있으며, 섬유(16)가 0.3%의 △1-2값을 가지며 섬유(17)가 1.0%의 △1-2값을 갖는 단일단(single stage) 마하-젠더 필터의 경우, 광경로 길이 L은 1cm이다. 만약, L이 두배로 늘어났다면, 제6도의 피크(peaks, 29) 사이의 파장 분리점은 절반으로 될 것이다.
제l도의 위상 변이영역(14)의 길이 L은 일정 직경의 부분 및 커플러(11 및 12)의 인접 테이퍼(taper)의 부분을 모두 포함한다. 따라서, 길이 L은 L로 표시된 두개의 선 사이에 연장된다. 제1도의 디바이스를 초기에 제조할 때에는, 영역(14)의 일정 직경부는 처음에는 방정식 5로부터 계산된 값 L보다 약간 더 짧게 제조된다. 결과로서 얻어지는 디바이스는 시험되고, 그 다음 추가적인 디바이스가 제작될수 있으며, 필요한 L값은 경험적으로 결정된다.
2개의 마하-젠더 디바이스(51 및 52)는 제7도에 도시된 바와 같이 연결될 수 있다. 섬유들 중 단지 하나만이 하나의 디바이스(51)에서부터 다른 디바이스(52)까지 연장되어야 한다. 하나의 마하-젠더 디바이스의 위상 변이영역의 지연시간(delay)이 다른 하나의 마하-젠더 디바이스의 위상변이영역의 지연시간의 2배가 될 경우, 예를들면 Ll이 1cm이고 L2가 2cm일 경우, 제8도의 스펙트럼이 얻어진다. 이러한 계산은 방정식 5와 같이 2개의 항을 곱하여 얻어진다.
2개의 2단(double-stage) 마하-젠더 디바이스는 필터의 스펙트럼 피크를 좁히고 노이즈를 감소시킴으로써 더 높은 분리(isolation)를 제공하기 위하여 함께 접속될 수 있다. 상기에서는 양호한 주변성능을 기대할 수 있는데, 그 이유는 양호한 열적 안정성을 위하여 모놀리드형일 필요가 있는 것은 오직 단일단 디바이스 그 자체뿐이기 때문이다. 이것은 중요한 위상변이가 2개의 단 사이에 있는 영역이 아니라 단일 마하-젠더 디바이스의 2개의 3dB 커플러 사이의 영역에서 일어난다는 점에 그 원인이 있다.
제6도 및 제8도에서 출력전력(output power)은 O에서부터 필수적으로 입력 전력(input power)의 100%까지 변한다는 점이 주목된다. 상기와 같은 필터링 특성을 얻기 위해서는, 마하-젠더 디바이스가 입력 신호를 2개의 동일한 부분으로 분리시키는 3dB 커플러를 사용해야 한다. 출력신호가 x%에서 100-x%까지 변하는 필터링 특성을 얻기 위해서는, 커플러들은 입력신호를 균등하지 않게 분리시켜야 한다. 상기 커플러들은 예를 들면 입력신호를 20%-80%의 비율로 분리시킬 수 있다. 제6도의 곡선 28은 3dB 커플러와는 다른 커플러를 사용하는 마하-젠더 필터의 출력을 설명하고 있다.
위상변이영역은 휨에 완전하게 견딜 수 있으며, 전체 마하-젠더 디바이스는 예를 들면 상기 디바이스와 친밀하게 접촉할 수 있는 물질인 금속 또는 폴리머와 같은 강성(stiff) 물질에 의해 둘러싸이거나 또는 피복될 수 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 피복공정은 오버클래드 매트릭스 유리(19)가 없는, 융합된 이중원뿔형 테이퍼(fused biconic taper) 커플러에는 적합하지 않다. 커플러 섬유들의 모드 필드(mode fields)는 커플링 영역(coupling region)에서 섬유들을 넘어서 연장되기 때문에, 만약 에너지가 피복물질 내부로 들어간다면 융합된 이중원뿔형 테이퍼 커플러는 손실을 입게 될 것이다.
제1도의 부재들과 유사한 부재들이 프라임 부호(')로 표시되어 있는 도면 부호를 포함하고 있는 제9도 및 10도에 도시된 바와 같이 위상 변이부는 또한 함몰되지 않은 채로 유지될 수 있다. 다음의 변화를 제외하고는, 상기 디바이스는 상술한 바와 같이 제조될 수 있다. 매트릭스 유리 관(19')을 링 버너의 내부에 배치되고 컴퓨터로 제어된 신장용 척(chuck)에 의해 양 단부에서 고정된 후, 진공 부착부를 이의 단부에 고정시킴으로써 진공화시켰다. 이러한 구체예에서, 초기에는 관을 단부(23') 근처에서 가열하여 적용된 가열 영역에서 관을 함몰시켰다. 상기와 동일한 지점에서 관을 재가열하고 척을 서로 반대방향으로 이동시켜 가열된 영역을 신장시키고 원하는 커플링(coupling) 특성을 커플러(11')에 부여함으로써 커플러(11')를제조하였다. 관과 버너 사이의 상대적인 운동은 그 후 관의 반대쪽 단부 근처의 적절한 지점에서 버너를 배치하여, 상기 지점에서 함몰 및 신장공정이 다시 수행되어 커플러(12')가 형성될 수 있다. 섬유(l6a'및 l7a')는 위상 변이영역(61) 내에서 공동(cavity; 62)을 통하여 연장된다.
제1도 및 제9도의 구체예는 제11도에 도시된 바와 같은 섬유들의 면(plane)에서 위상변이영역(14 또는 61)을 굽힘으로써 파장이 조절되거나 전환될 수 있는데, 여기에서 커플러(50 및 52)는 위상 변이영역(51)에 의해 연결된다. 위상 변이영역(51)의 일 단부는 수단(54)에 의해 고정되어 유지될 수 있으며, 상기 영역(51)의 다른 쪽 단부는 수단(55)에 의해 편향되어 두개의 섬유들이 놓여 있는 면에서 섬유(57 및 58)를 구부릴 수 있다. 전자기성, 압전성, 복금속성(bimetallic) 및 다른 형태의 디바이스들은 작고, 제어되는 굽힘운동을 제공할 수 있다. 미국특허번호 제5,146,519호에 개시된 스위치의 회전작용은 섬유(57 및 58)를 굽히는데 또한 적합하다.
필터 이외의 마하-젠더 디바이스들 역시 개시된 모놀리드형 구조물로부터의 장점을 이용할 수 있다. 예를 들면, 제11도의 디바이스는 스위치로서 작용할 수 있으며, 주어진 파장에서의 신호가 적절한 휨 지역(51)에 의해 하나의 섬유(57)에서부터 다른 섬유(58)까지 전환된다.
다음의 구체예는 마하-젠더 필터의 제조방법에 대하여 기술한다.
참고자료로서 제시되는 미국특허번호 제4,486,212호에 개시된 공정과 유사한 공정에 의해 광섬유들을 제작하였다. 간략히 말해서, 상기 특허에 따르면, 코어영역 및 얇은 클래딩 유리층으로 이루어진 다공성 코어 예형을 실린더형 심봉(mandrel)상에 형성시켰다. 그 후, 상기 심봉을 제거하고, 이렇게 제조된 관 형태의 예형을 강화로 머플(consolidation furnace muffle)에 서서히 삽입한다. 이때, 상기 머플의 최대온도는 고실리카 함량의 유리의 경우, 1200∼1700℃이고 바람직하기로는 약 1490℃이다. 상기 머플의 온도 프로파일은 미국특허번호 제4,165,223호에 기술된 바와 같이 중심영역에서 가장 높다. 건조공정에서 요구되는 최소농도로 통상 존재하는 염소는 헬륨 및 약 5부피% 염소로 구성되는 건조가스를 예형의 개구(aperture)로 흘림으로써 예형에 공급될 수 있다. 상기 개구의 단부를 차단시켜(plugging) 가스를 예형의 기공을 통하여 흘릴 수 있다. 헬륨 수세가스(helium flushing gas)도 머플을 통하여 동시에 흘린다.
개구가 막혀 있는 "코어-로드(core rod)"를 형성하기 위하여 진공이 개구에 적용되는 동안 결과로서 제조된 관 형태의 유리제품이 표준 인발로에서 신장된다. 적당한 길이의 상기 로드는 실리카 입자들이 침적되어 있는 선반(lathe) 내에서 지지된다. 99.5부피% 헬륨 및 0.5부피% 염소로 이루어진 혼합물을 상기 로를 통하여 상방으로 흘리는 한편, 결과로서 제조된 최종 다공성 예형을 강화로에 서서히 삽입시켜 여기서 상기 예형을 강화시킨다. 그 다음, 결과로서 제조된 유리 예형을 인발시켜 스텝-지수(step-index), 단일-모드 광섬유로 제조한다.
(a) 섬유(16)의 제조
섬유(16)는 표준 원격통신 광섬유이다.
8.5 중량%의 GeO2로 도핑된 SiO2로 이루어진 제1 유리 입자층을 심봉(mandrel)위에 침전시키고, 얇은 SiO2입자층을 상기 제l층위에 침적시켰다. 그 다음, 상기 맨드럴을 제거하고, 상기로 인한 다공성 예형을 건조 및 강화시켰다. 이러한 공정동안, 65sccm(standard cubic centimeter per minute) 염소 및 65Osccm 헬륨을 함유하는 가스 혼합물을 심봉이 제거된 중앙 홀(center hole)로 흘렸다. 4Oslpm(standard liters per minute) 헬륨 및 0.5slpm 산소를 함유하는 수세가스를 강화로 머플의 바닥으로부터 상방으로 홀렸다. 결과로서 생성된, 강화된 예형을 인발로에 삽입하였다. 개구를 진공상태로 하고, 관 형태의 본체(tubular body)의 하부 단부를 1900℃로 가열하고 약 l5cm/min의 속도로 인발시켜 5mm의 딱딱한 유리 로드를 제조하였다. 상기 로드를 절단하여 단편으로 제조하였으며, 상기 단편들 중 하나를 선반(lathe)에 지지시켰는데, 여기서 상기 단편은 최종의 다공성 예형을 제조할 수 있도록 SiO2클래딩 수트(soot)가 침적될 심봉으로서 기능하였다. 최종 다공성 예형을 1490℃의 최대온도를 갖는 로(furnace)의 알루미나 머플로 서서히 삽입시켜, 여기서 상기 예형을 인발 반제품(draw blank)으로 제조할 수 있도록 강화시켰다. 강화 공정동안, 4Oslpm 헬륨, 0.5slpm 염소 및 0.5slpm 산소를 함유하는 가스혼합물을 머플을 통하여 흘렸다. 상기 인발 반제품의 팁을 약 2100℃로 가열하였으며, 125㎛의 외부직경을 가지는 섬유를 이로부터 인발하였고, 상기 섬유는 인발 공정동안 l7O㎛ 직경의 우레탄 아크릴레이트로 코팅되였다.
(b) 섬유(17)의 제조
다음의 차이를 제외하고는, 상기 (a)에 기술된 공정과 유사한 공정을 사용하여 섬유를 제조하였다. 18중량% GeO2로 도핑된 SiO2로 이루어진 제1 유리 입자층을 심봉(mandrel)위에 침적시키고, 얇은 SiO2입자층을 상기 제l층위에 침적시켰다. 결과로서 얻어진 다공성 코어 예형을 강화시켰고 신장시켰으며, 순수한 실리카 클래딩으로 보호막을 형성시켰다(overcoat). 결과로서 얻어지는 인발 반제품의 외부직경에 대한 코어 직경의 비율로 인하여 상기 코어는 섬유(16)의 코어보다 더 작았다(표 1 참조). 상기 섬유(17)는 l25㎛의 외부직경으로 인발되었으며 상기 섬유(17)에는 170㎛직경의 우레탄 아크릴레이트 코팅이 제공되었다.
(c) 섬유의 특성
표 1에는 △esi(equivalent step index delta), desi c(equivalent step index core diameter), 및 이들 섬유들의 MFD가 기재되어 있다. 섬유(16)의 모드필드 매개변수들은 섬유 제조를 위해 이전에 측정된 모드필드 매개변수들의 명목 값이다; 상기 매개변수들은 모드필드 직경으로 이루어진 Petermann Ⅱ 정의에 따른 가변 개구파-필드(far-field) 방법을 사용하여 결정되었다. 따라서, 섬유(17)의 모드 필드 매개변수들이 계산된다.
표 1
△esidesi c
섬유 16 0.0036 8.3㎛
섬유 17 0.008 3.5㎛
(d) 커플러의 제조
사용된 유리 모세관은 56.3cm의 길이 및 2.7Omm의 외부직경을 갖는 것이었다. 구멍(bore)은 다아아몬드형이었으며, 상기 다이아몬드의 각각의 측면은 약 310㎛의 길이를 가졌다. 불꽃(flame) 가수분해공정에 의해 제작된 모세관은 9중량% B2O3로 도핑된 실리카로 이루어졌다. 관의 단부를 가열하면서 관을 통하여 NF3를 흘림으로써 관 단부의 각각에 깔때기 형상부(funnel)를 형성시켰다.
코팅된 광섬유(16 및 17)를 약 3미터의 길이로 절단하였다. 상기 두개의 섬유의 중심지역으로부터 약 48.3cm길이의 코팅 단편을 제거하였으며, 코팅되지 않은 부분이 관의 단부의 중간에 배치될 때까지 두개의 섬유들을 관의 구멍을 통하여 밀어넣었다. 소량의 UV-경화성 접착제를 코팅된 섬유에 제공하여 상기 섬유들을 관의 하나의 단부에 결합시켰다. 상기 섬유들에 약간의 장력을 제공하였으며 이들을 관의 다른 쪽 단부에 결합시켰다.
결과적으로 얻어진 커플러 예형(31)을 링 버너(34)를 통하여 삽입하였고 제3도의 장치의 인발척(32 및 33)에 고정시켰으며, 상기 버너의 중심을 모세관의 상부 단부으로부터 약 1.9cm의 위치에 배치시켰다. 진공 부착부(41 및 41')를 관의 단부에 고착시켰고 약 38cm(15인치)의 Hg에서 안정화하도록 허용된 진공을 예형(31)에 적용하기 위하여 고정시켰다(화살표 44 및 44').
가스 및 산소를 각각 6Oslpm 및 l2Oslpm으로 링 버너에 흘렸다. 링 버너를약 18초 동안 가동하여 관 영역의 온도를 단부으로부터 약 14 내지 23mm까지 증가시켰다. 이것으로 인하여 관이 약 0.92cm의 길이의 관의 단편을 따라 섬유들 위로 함몰되었다. 커플러 예형을 약 30초 동안 냉각시킨 후, 관의 함몰단계와 같이 가스 및 산소를 흘려 불꽃을 재점화시켰고, 함몰지역을 약 16초 동안 재가열하였다. 진공은 약 38cm의 Hg에서 유지되었다. 척(32 및 33)을 약 2.5cm/sec의 속도로 반대방향으로 이동시켜 약 1.55cm의 관의 총길이 증가를 제공하였으며, 이에 의해 커플러(12)를 제작하였다.
하부의 컴퓨터로 조절되는 척(computer controlled chuck)을 느슨하게 하였으며, 그후 상부 척(32)이 2.835mm의 거리만큼 하방으로 이동되어 상기 버너 내의 관의 바닥 단부 영역에 위치하였다. 관을 섬유들 위로 함몰시키고 관을 신장시키는 상술한 단계를 반복하여 커플러(11)를 제작하였다.
커플러를 냉각시킨 후, 커플러로부터 진공 라인을 제거하였고, 소량의 접착제를 모세관의 각각의 단부에 제공하여 UV광에 노출시켰다. 그 후, 마하-젠더 디바이스에 대한 인발공정으로부터 제거하였다.
결과로서 얻어진 마하-젠더 디바이스의 관의 총 길이는 8.75cm이었고, 2개의 커플러 사이의 위상 변이영역의 일정한 직경부 길이는 1.l44cm이었다. 상기 디바이스의 스펙트럼 출력은 제11도에 도시되어 있다.
전술한 내용들은 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기 위한 것이지, 이것이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
제1도는 모놀리드형 오버클래드(monolithic overclad) 마하-젠더 디바이스의 단면도이다.
제2도는 제1도의 2-2선을 따라 도시된 단면도이다.
제3도는 섬유들 상으로 모세관을 함몰시키고 상기 관을 신장시켜 커플링 영역을 형성시키기 위한 장치의 개략도이다.
제4도는 반사방지용 종결부를 갖는 섬유를 사용하는 일 구체예의 부분 단면도이다.
제5도는 마하-젠더 디바이스의 개략도이다.
제6도는 2cm 길이의 위상 변이영역을 갖는 단일단(single stage) 마하-젠더 필터에 대한 계산된 출력전력 대 파장을 그래프화한 도면이다.
제7도는 2개의 마하-젠더 디바이스가 서로 연결된 상태의 개략도이다.
제8도는 제6도의 마하-젠더 필터에 대한 계산된 출력전력 대 파장을 그래프화한 도면이다.
제9도는 본 발명의 다른 구체예의 단면도이다.
제10도는 제9도의 10-10선을 따라 도시된 부분 단면도이다.
제11도는 조절가능한 마하-젠더 디바이스의 개략도이다.
제12도는 구체예의 단일단 마하-젠더 필터에 대한 측정된 출력전력 대 파장을 그래프화한 도면이다.
Claims (17)
- 매트릭스 유리의 신장된 본체,상기 본체를 통하여 종방향으로 연장되어 있는 서로 다른 제1 광섬유 및 제2 광섬유,상기 본체 내의 위상 변이영역, 및상기 위상 변이영역의 반대쪽 단부들에 위치하며 상기 본체 내에서 격치되어 있는 2개의 커플러 영역으로 이루어지며, 상기 위상 변이영역 내에서 상기 광섬유들이 서로 다른 전파상수를 가짐으로써 광신호가 상기 위상 변이영역에서 서로 다른 속도로 상기 광섬유들을 통하여 전달되며, 상기 본체의 직경 및 상기 광섬유들의 직경이 상기 위상 변이영역에서보다 상기 커플러 영역 내에서 더 작은 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 광섬유들의 코어가 서로 다른 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 유리가 상기 위상 변이영역에서 상기 광섬유들과 접촉하는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 광섬유들이 상기 위상 변이영역에서 신장된 공동을 통하여 연장됨으로서, 상기 매트릭스 유리가 상기 위상 변이영역 내에서 상기 광섬유들에 의해 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 커플러 영역이 무색인 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 위상 변이영역 내의 상기 광섬유들의 직경이 상기 위상 변이영역의 상호 반대쪽에 위치하는 커플러의 단부에 있는 상기 광섬유들의 직경과 동일한 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 복수의 광섬유들을 유리관의 구멍 내로 삽입하는 단계,상기 관의 구멍을 진공화시키는 단계,상기 관의 제1 영역을 상기 광섬유 상으로 함몰시키기 위하여 상기 관을 가열하는 단계,제1 커플링 영역을 형성시키기 위하여 상기 제1 함몰영역의 중간부를 신장시키는 단계,상기 관의 제2 영역을 상기 광섬유 상으로 함몰시키기 위하여 상기 관을 가열하는 단계, 및상기 제1 커플링 영역으로부터 격치되어 있는 제2 커플링 영역을 형성시키기 위하여 상기 제2 함몰영역의 중간부를 신장시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 관 영역을 함몰시키기 위하여 상기 관을 가열하는 단계가 상기 제1 함몰영역의 중간부를 신장하는 단계에 앞서서 수행되는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 관 영역을 상기 광섬유들 상으로 함몰시키기 위하여 상기 관을 가열하는 단계 후, 상기 매트릭스 유리가 상기 커플링 영역사이에서 광섬유들과 접촉하는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 관 영역을 상기 광섬유들 상으로 함몰시키기 위하여 상기 관을 가열하는 단계 후, 상기 매트릭스 유리가 상기 커플링 영역사이에서 상기 광섬유들로부터 격치되어 있는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스의 제조방법.
- 제l항에 있어서, 상기 위상 변이영역의 굽힘수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 2개의 커플러 영역이 동일한 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 2개의 커플러 영역이 동일하지 않음을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 2개의 커플러 영역이 모두 3dB 커플러인 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
- 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 관 영역을 함몰시키기 위하여 상기 관을 가열하는 단계는, 상기 제1 관 영역을 열원으로 가열하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 함몰영역과 상기 제1 및 제2 함몰영역 사이의 영역을 포함하는 상기 관의 전체부분이 상기 섬유들 상으로 함몰될 때까지 상기 제2 함몰영역을 향하여 상기 열원을 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 제2 커플링 영역의 신장단계가 상기 제1 커플링 영역의 신장단계와 동일한 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 섬유들의 코어가 서로 다른 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 디바이스.
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