KR100637542B1 - 광자결정 광섬유의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

길이 방향의 홀(130,140) 배열을 갖는 벌크재와 도파 코어(135)로 구성되는 광자결정 광섬유(photonic crystal fibre)에 있어서, 광섬유가 길이 방향축에 대해 최대 2배의 회전 대칭성을 가지며, 이 광섬유는 복굴절성이다.

Description

광자결정 광섬유의 제조방법{A method of making a photonic crystal fibre}
본 발명은 광자결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber) 관련 또는 광자결정 광섬유의 제조방법에 관한 것이다.
광자결정 광섬유는 광섬유의 특별한 한 형태이다. 광섬유는 원격통신, 레이저 기계가공(Machining) 및 용접, 레이저 광 및 동력 전달, 섬유 레이저, 센서 및 의학적 진단법 및 외과적 수술을 포함한 다양한 분야에 사용된다. 이러한 광섬유는 전형적으로 전적으로 유리와 같은 고체상 투명 소재로 제조되며 각각의 섬유는 전형적으로 그 길이 방향을 따라 동일한 단면 구조를 갖는다. 단면의 일부(통상적으로는 중앙부)에 있어서의 투명 소재는 나머지 부분 보다 더 높은 굴절율을 가지며 광이 그 내부에서 전적인 내부 반사에 의해 안내되는 광 코어를 형성한다. 우리는 이러한 섬유를 표준 섬유라 지칭한다.
단일 모드(Single-mode) 광섬유는 그 우수한 도파(Wave-guiding) 특성으로 인하여 많은 용도에 있어서 바람직하다. 그러나, 소위 단일 모드 광섬유라 할지라도 일반적으로 광전달상의 편광을 적절히 제어할 수 있는 것은 아니다. 단일 모드 섬유는 관심 주파수에서 단 하나의 횡 공간 모드만을 지지하기 때문에 이와 같이 지칭되나, 그 공간 모드는 2개의 편광 상태로 존재한다; 이것은 직교 방향으로 편광되는 2개의 축퇴 모드이다. 실제 섬유에 있어서, 결함(imperfections)은 상기한 모드의 축퇴 (Degeneracy)를 방해할 것이며 모드의 복굴절이 발생할 것이다; 즉, 모드 전달 상수 β는 직교 모드 각각에 대해 약간 다르게 될 것이다. 모드 복굴절은 랜덤한 결함에 의해 일어나며, 전달 상수는 섬유를 따라 랜덤하게 변화될 것이다. 일반적으로, 섬유 내로 도입되는 광은 양 모드로 전달될 것이며 섬유 내에서의 작은 만곡 및 비틀림에 의해 하나의 모드로부터 다른 하나의 모드로 결합될 것이다. 선상으로 편광된 광은 섬유를 따라 전달됨에 따라서 임의의 편광 상태로 스크램블될 것이다.
표준 섬유에 있어서 모드의 전달을 유지하기 위해서는, 작은 결함에 의한 효과를 사소한 것으로 만들기 위해서 고의적으로 섬유 내로 복굴절을 도입시킬 수 있다(2개의 편광 모드의 실효 인덱스를 상이하게 하기 위함). 광이 섬유의 광축의 하나에 평행한 방향으로 선상으로 편광된다면, 광은 그 편광을 유지하게 될 것이다. 광이 어떤 다른 각도로 선상으로 편광된다면, 광이 섬유의 하방으로 전달됨에 따라, 비트 길이 LB(여기서, LB=2π/│βx-βy│이고, βx 및 βy는 직교 모드의 전달 상수이다)로 알려져 있는 주기를 가지면서 선상으로부터 타원상으로, 선상(출발 편광에 평행하지 않은)으로, 타원상으로, 그리고 다시 선상으로 돌아가게 편광이 변화될 것이다. 이러한 변화는 전달 상수의 차이에 의해 일어나는, 모드의 직교하는 2성분 사이의 상 차이의 결과이다. 비트 길이가 짧아지면 짧아질수록 편광-스크램블링(Polarisation-scrambling) 효과에 대한 섬유의 장해허용력(Resilience)도 더 욱 커지게 된다. 전형적으로, 종래의 편광-유지(Polarisation-preserving) 섬유는 밀리미터 정도의 비트 길이를 가진다. 또한, 복굴절 강도는 매개변수 B=│βx-βy│/ko =│nx-ny│로 표시될 수 있으며, 여기서 ko=2π/λ(여기서 λ는 파장이다)이고, nx 및 ny는 직교 모드에 의해 나타내지는 굴절율이다.
최근 수년간에 있어, 비표준 타입의 광섬유가 실증되어졌으며, 이는 광자결정 광섬유(Photonic-crystal fibre:PCF)라 지칭된다. 전형적으로는, 이 섬유는 단일의 고체상이고 실질적으로 투명한 소재로 만들어지며, 이 소재는 그 내부에 섬유의 전체 길이를 따라 섬유축에 평행하게 연장되어 뻗어있는 주기적 배열의 공기 홀이 삽입되어 있다.
규칙적인 배열 내부에 있어서의 공기 홀 하나의 누락과 같은 형태상의 결함은 표준 섬유에 있어서의 전적인 내부 반사 도파와 유사한 방식으로 광이 도파되는 굴절율이 증대된 내부 영역을 형성한다. 광 도파를 위한 다른 메카니즘은 전적인 내부 반사 보다는 오히려 광자-대역-갭(Photonic-band-gap) 효과에 기초하고 있다. 광자-대역-갭 도파는 공기 홀 배열을 적절히 디자인하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 특정한 전달 상수를 갖는 광은 코어에 한정될 수 있으며 그 내부에서 전달될 것이다.
광자결정 광섬유는 케인(canes)을 필요한 형상으로 적층시킨 다음, 제 위치에 유지시키고, 이들을 함께 융합시키면서 하방으로 인발하는 것에 의해서 섬유로 제조할 수가 있으며, 여기서 몇몇 케인은 육안상의 모세관이다. PCF는 매우 광범위 한 파장에 걸쳐 광을 단일 모드로 도파하며, 여전히 단일 모드인 비교적 큰 모드 영역을 갖는 광을 도파하는 능력과 같은 이례적인 특성을 가진다.
복굴절은 수 개의 메카니즘에 의해 생성될 수 있다. 소재의 분극율의 비등방성; 즉, 원자적 수준에서의 비등방성에 의해 야기될 수 있다. 원자 보다 큰 스케일에서의 소재 구조 상의 구성 요소들의 배열에 의해 야기될 수도 있다; 이 현상은 형태 복굴절성(Form Birefringence)으로 알려져 있다. 이것은 또한 기계적 응력에 의해 초래될 수도 있다; 이 현상은 기계적 복굴절(Stress Birefringence) 또는 광-탄성 (Photo-elastic) 효과로 알려져 있다. 표준 광섬유에 있어서, 형태 복굴절은 섬유 단면 형상을 변화시키는 것에 의하여, 예컨대, 코어나 클래딩을 타원체로 만드는 것에 의해 달성될 수 있다. 약한 도파 섬유에 있어서의 복굴절은 일반적으로 다소 약하다(B~10-6). 기계적 복굴절은 섬유 예비성형체에 있어서의 섬유 코어의 반대쪽에 보로실리케이트 유리 막대를 삽입시키는 것에 의해서 유도될 수 있다. 보로실리케이트 로드의 형상 및 위치에 있어서의 변화는 상이한 수준의 복굴절을 유도시킬 수 있다. 기계적-유도 복굴절은 B~10-4를 허용한다.
표준 광섬유에 있어서 복굴절을 생성시키기 위해서, 그리하여 표준 편광-유지 광섬유를 생성시키기 위하여 사용되는 방법은, 일반적으로, 광자결정 광섬유에 직접 사용하기에는 적합치 못하다.
본 발명의 목적은 편광-유지 광섬유로서 사용할 수 있도록 복굴절성인 광자 결정 광섬유를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 이러한 광섬유의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 길이 방향의 홀 배열을 갖는 벌크재와 도파 코어로 구성되는 광자결정 광섬유가 제공되며, 여기서 상기한 섬유는 길이 방향축(즉, 임의의 세로 방향축)에 대해 최대 2배의 회전 대칭이고 이와 같이 대칭성 결여의 결과로서 이 광섬유는 복굴절성이다.
홀의 배열은 코어의 존재를 제외하고는 실질적으로 주기적이다.
유리하게는, 광섬유 내에서 전달되는 1.5 미크론의 파장을 갖는 광이 1cm 미만의 비트 길이를 갖는 바와 같은 복굴절이다. 더욱 유리하게는, 광섬유 내에서 전달되는 1.5 미크론의 파장을 갖는 광이 5mm 미만의 비트 길이를 갖는 바와 같은 복굴절이다. 더욱 유리하게는, 광섬유 내에서 전달되는 1.5 미크론의 파장을 갖는 광이 1mm 미만의 비트 길이, 바람직하게는 0.5mm 미만의 비트 길이를 갖는 바와 같은 복굴절이며; 이러한 짧은 비트 길이는 일반적으로 표준 광섬유에서는 얻을 수가 없다. 물론, 특정한 광섬유는 1.5 미크론의 파장에서 광을 도파하지 못할 수 있으며; 이 경우, 도파된 파장에서의 비트 길이는 1.5 미크론에서의 이에 상응하는 비트 길이로 용이하게 늘리거나 줄일 수가 있다. 예컨대, 1.55 미크론 파장에서 1mm의 비트 길이는 633nm 파장에서 0.41mm의 비트 길이에 해당되며, 1.55 미크론 파장에서 0.5mm의 비트 길이는 633nm 파장에서 0.21mm의 비트 길이에 해당된다.
실제의 광섬유에 있어서는 필연적으로 작은 이상을 수반하고 있으므로 절대적인 대칭성을 갖는 임의의 유형의 광섬유는 존재하지 않는다는 것을 이해하여야만 할 것이다; 그러나, 종래의 광자결정 광섬유에 있어서는, 실제의 광섬유가 상당한 양의 회전 대칭성(통상적으로 최대 6배의 회전 대칭성)을 가지며 이러한 대칭성은 상기한 광섬유의 거동을 절대적인 대칭성을 갖는 이론적인 광섬유의 거동과 유사하게 만들기에 충분히 강하다는 것은 명백하다. 마찬가지로, 최대 2배의 회전 대칭성을 갖는 섬유에 대해서 참조하는 경우, 이러한 광섬유가 고도의 대칭성을 엄밀히 보유하는 것도 아닐 뿐만 아니라, 더욱이 상당한 양의 고도한 대칭성을 갖는 광섬유와 같이 거동하는 것도 아님을 이해하여야만 한다.
가장 광의의 관점에서는, 본 발명은 광섬유의 임의의 면에서 고도한 회전 대칭성의 결여에 관한 것이다. 가장 전형적으로는, 대칭성 결여가 광섬유의 내부 미세 구조 상의 몇몇 특징, 통상적으로는, 홀의 배열에 기인하는 한편, 광섬유의 전체적인 단면 형상은 원형일 수 있어서 원형 대칭성을 가진다; 2배 이상의 회전 대칭성을 갖는 홀의 배열도 본 발명의 영역 내이나, 2배 이상의 회전 대칭성이 결여된 광섬유도 몇몇 다른 견지에서는 본 발명의 영역 내이며, 이러한 배열례를 하기에 기술한다.
바람직하게는, 광섬유가 2배의 회전 대칭성을 갖는 것이다.
바람직하게는, 회전 대칭성이 코어를 관통하는 축에 대한 것이다.
광섬유가 2배 보다 큰 회전 대칭성을 갖는다면, 둘 또는 그 이상의 축(직교할 필요는 없음)에 평행하게 편광되는 경우 선상으로 편광된 광은 동일한 전달 상수 β를 갖게 될 것이다. 원형 대칭성을 갖는 실제 광섬유의 경우, 광섬유 내의 불완전부는 이들 축의 각각에 평행하게 편광된 모드들 사이에서의 동력 전달(power transfer)로 귀결될 것이다. 결과적으로, 초기에 선상으로 편광된 광은 부가적인 모드들을 여기시켜서 신속히 랜덤하게 편광될 것이다.
코어는 홀을 포함할 수 있다. 이 홀은 공기 이외의 다른 물질로 충진될 수 있다. 선택적으로는, 코어가 홀을 포함하지 않을 수 있다.
홀의 배열은 섬유의 길이 방향축에 평행한 최대 2배의 회전 대칭성을 가질 수 있다. 선택적으로, 홀의 배열은 섬유의 길이 방향축에 평행한 축에 대하여 2배 보다 큰 회전 대칭성을 가질 수 있다. 회전 대칭성은 코어를 통과하는 축에 대한 것일 수 있다.
더 높은 회전 대칭성의 결여는 하기한 사항 중 하나 또는 그 이상에 있어서의 광섬유의 단면을 가로지르는 변화에 적어도 부분적으로 기인하는 것일 수 있다: 코어의 미세 구조, 홀의 직경, 벌크재, 홀 내에 포함되는 물질 또는 홀의 형상. 형태 변화는 인발됨에 따른 광섬유 내의 응력에 의해 초래되는 변형에 기인하는 것일 수 있다. 더 높은 회전 대칭성의 결여는 하기한 사항 중 하나 또는 그 이상, 또는 다른 매개변수에 있어서의 변화와 결부된 하기한 사항 중 하나에 있어서의 광섬유의 단면을 가로지르는 변화로부터 초래될 수 있다: 코어의 미세 구조, 홀들의 직경, 벌크재, 홀들 중에 함유되는 물질, 홀들의 형상.
복굴절 광섬유는 형태 복굴절성 및/또는 기계적 복굴절성을 가질 수 있다. 비록 표준 광섬유에 있어서의 형태 복굴절성이 요구되는 짧은 비트 길이를 산출하기에 충분하지 않더라도, 광자결정 광섬유에 있어서의 잠재적으로 더욱 큰 굴절율 차이는 강한 형태 복굴절성으로 귀결될 수 있다. 인발 과정 중의 광섬유 내의 응력 패턴이 하나의 축을 따라 광섬유 코어를 에워싸는 임의의 공기 홀을 변형시키는 경우, 표준 광섬유에서는 가능하지 않은 추가적인 복굴절을 일으키는 새로운 효과가 발견된다.
또한, 본 발명에 따르면, 복굴절성 광자결정 광섬유의 제조방법이 제공되며, 이 방법은
(a) 적어도 일부가 모세관인 케인 스택(a stack of canes)을 형성시키고, 상기한 스택은 광섬유 내의 코어 영역을 형성하도록 배열되는 케인 및 상기한 광섬유 내의 클래딩 영역을 형성하도록 배열되는 케인을 포함하고;
(b) 상기한 케인 스텍을 길이 방향축에 대하여 최대 2배의 회전 대칭성을 갖는 복굴절 광섬유로 인발시킨다.
따라서, 복굴절은 광자결정 섬유 예비성형체를 제조하기 위해 사용되는 변형 방법에 의하여 도입된다. 상기한 변형된 제조방법은 예비성형체를 포함하는 주기적인 케인 스택에 있어서 최대 2배의 대칭적 특징을 갖도록 소재의 대칭성을 저감시키는 것으로 이루어진다. 이러한 구조체는, 일반적으로, 광자결정 구조 내의 응력 패턴 및 도파 모드 형상의 양자를 변화시킬 것이다.
복굴절이 도입될 수 있는 한가지 방법은 격자 부위의 2배 대칭쌍에서의 상이한 모세관을 상기한 예비성형체 내에 포함시키는 것에 의해 도입될 수 있다. 이러한 포접은 도파된 모드의 형상을 조절할 수 있도록("형태 복굴절성") 코어에 인접하게 위치시키거나 또는 코어로부터 얼마간 떨어져 위치시키되 다른 특성을 갖는 소재로 만드는 것에 의해 광섬유 코어 내의 응력 패턴을 조절할 수 있도록("기계적 복굴절") 위치시킬 수 있다. 상기한 예비성형체는 상이한 타입의 모세관으로 광섬유 예비성형체의 실질적인 부분을 형성시키는 것에 의해 복굴절을 도입할 수 있도록 구성될 수 있는데, 다시금 기계적 및 형태 복굴절을 도입한다. 도파 클래딩을 형성하는 기본적인 주기적 격자는 명목상으로 동일한 외경을 갖는 단순히 촘촘하게 밀집시킨 모세관 배열이거나 또는 전체적으로 상이한 형태학적 특징을 갖고 있어서 상이한 주기적 구조를 형성하는 모세관 배열일 수 있다. 정방형 격자는 상이한 직경을 갖는 막대 케인 및 모세관 케인으로 형성될 수 있다. 정방형 및 장방형 격자는 편광-유지 광자결정 광섬유의 설계를 단순화하는, 클래딩을 위한 천연적으로 복굴절성인 결정 구조를 만드는데 사용될 수 있다.
고도한 회전 대칭성의 결여는, 상기한 스택의 단면을 따른 변화, 즉 모세관 내경, 케인을 만드는 소재, 모세관 내에 충진되는 물질 및/또는, 케인의 외경에 있어서의 변화에 의하여 적어도 부분적으로 초래될 수 있다.
케인은 코어를 형성하도록 배열되는 케인의 중심에 대하여 최대 2배의 회전 대칭성을 갖는 클래딩 격자의 정점에 제공될 수 있다. 선택된 내경을 갖는 모세관은 코어를 형성하도록 배열되는 케인들의 중심에 대하여 최대 2배의 회전 대칭성을 갖는 클래딩 격자의 정점에 제공될 수 있으며, 클래딩 격자의 정점에서의 모세관의 선택 직경은 다른 부위에서의 모세관의 직경과는 상이할 수 있다.
코어를 형성하도록 배열되는 케인에 인접한 상당한 숫자의 클래딩 케인은 상이할 수 있다.
복굴절성은 적어도 부분적으로는 인발에 따라 광섬유 내에 형성되는 응력에 기인하는 것일 수 있다. 상기한 응력은 격자 내의 적어도 일부의 다른 케인들이 만들어지는 소재와는 다른 소재로 만들어지는 케인을 최대 2배의 회전 대칭성을 갖는 부위에 포접(Inclusion)시키는 것에 의해 도입될 수 있다. 상기한 응력은 최대 2배의 회전 대칭성을 갖는 부위에 다른 모세관 중 적어도 일부의 모세관 벽 두께와는 다른 벽 두께를 갖는 모세관을 포접시키는 것에 의하여 도입될 수 있다.
상기한 응력은 인발된 광섬유의 코어를 에워싸는 홀의 변형을 가져 올 수 있으며, 이러한 변형은 복굴절을 일으킬 수 있다.
상기한 응력은 인발된 광섬유의 코어에 대한 응력을 일으킬 수 있으며, 이러한 응력은 복굴절을 일으킬 수 있다.
고도한 회전 대칭성의 결여는 적어도 스택의 인발 중에 적어도 하나의 모세관의 가압(pressurisation) 및/또는 비워짐(evacuation)에 의해 일어날 수 있다.
상기한 방법 중 어느 것에 있어서는, 케인 스택의 회전 대칭성이 2배의 회전 대칭인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 하기로 구성되는 광자결정 광섬유의 제조 방법이 제공된다:
(a) 각각 길이 방향축을 가지며, 제1 단 및 제2 단을 갖는 다수의 연장된 케인을 제공하고, 상기한 케인중 적어도 일부는 각각 상기한 케인의 길이 방향축에 평행하고 상기한 케인의 제1 단으로부터 상기한 케인의 제2 단으로 뻗어있는 홀을 갖는 모세관이며;
(b) 상기한 케인을 그 길이 방향축이 케인들 상호간 및 스택의 길이 방향축 에 실질적으로 평행하게 배열하여 스택을 형성시키고,
(c) 제1 압력의 유체원과 적어도 하나의 모세관의 홀을 연통된 상태로 유지시키고, 상기한 제1 압력과는 상이한 제2 압력으로 모세관 주위에 압력을 유지시키면서, 상기한 스택을 광섬유로 인발시키며, 여기서 제1 압력에서의 홀이 인발 과정 중에 압력 차이가 없게 되면서 다른 크기가 되게 한다.
상기한 새로운 방법에 있어서는, 섬유의 인발 중에 실질적이고도 제어된 변화가 섬유 구조 중에 발생할 수 있다; 예컨대, 인발 중에 공기 홀의 제어된 팽창도 일어날 수 있다. 종래의 기술에 따른 광자결정 광섬유에 있어서는, 요구되는 미세구조가 육안적 척도로 창출되므로, 섬유로의 인발에 의해서 그 척도가 감소된다.
바람직하게는, 튜브는 케인 스택 길이의 적어도 일부에 걸쳐 케인 스택을 에워싸며 튜브의 내측은 제2 압력으로 유지된다.
"공기 홀의 팽창(expansion of the air holes)"이라는 어구는 압력 차이 없이 만들어질 수 있는 것 보다 더 큰 크기의 공기 홀(모세관의 길이방향축에 직교하는 단면에 있어서의)의 생성을 지칭한다는 것을 이해하여야만 할 것이다. 실제로는, 인발에 의해 생성되는 광섬유는 만들어지는 예비성형체(본 명세서에 있어서는, 케인 스택) 보다 전체 단면적이 매우 작으며, 따라서 본 발명에 있어서의 공기 홀은 일반적으로 단정적인 어구로서의 "팽창(expand)"은 일어나지 않는다.
따라서, 인발 중의 변화는 두가지 주요한 방식으로 제어될 수 있다: 특정한 홀에 가해지는 압력 미분차(differential)를 이용하는 것 및, 바람직하게는 두꺼운 벽체이고 실리카로 구성될 수 있는 튜브로 예비성형체 전체를 에워싸고 함께 하방 으로 인발하여 최종 광섬유의 일부를 형성시키는 것. 상기한 튜브는 변형되지 않는 것이 바람직하며 압력 차이 없이 변형되는 것과는 상당히 다르다.
바람직하게는, 상기한 튜브가 제1 내부 압력에서 적어도 하나의 홀의 팽창을 억제하는 것이다.
바람직하게는, 케인의 스택이 임의의 길이 방향축에 대하여 최대 2배의 회전 대칭성을 갖는 것이다. 이러한 스택은 복굴절 광섬유의 인발에 사용될 수 있다.
바람직하게는, 인발 과정 중에,
상기한 튜브의 제1 단이 비워질 수 있는 구조체(evacuatable structure)의 제1 단에 인접하게 밀봉시키며 상기한 튜브의 제2 단은 상기한 비워질 수 있는 구조체 내에 위치하고;
모세관의 적어도 일부는 상기한 비워질 수 있는 구조체를 통과하여 상기한 구조체의 제2 단을 밀봉시키며;
상기한 비워질 수 있는 구조체는 제2 내부 압력을 생성시키기 위하여 실질적으로 비워진다.
바람직하게는, 상기한 비워질 수 있는 구조체가 금속 튜브이다.
단지 예로써, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일구체예들을 목하 설명하기로 한다:
도 1은 표준 광섬유의 일례에 대한 개략도이다.
도 2는 고지수(high-index) 코어 결함을 갖는 종래의 광자결정 광섬유의 개 략도이다.
도 3은 저지수(low-index) 코어 결함을 갖는 종래의 광자결정 광섬유(광자-밴드-갭 광섬유)의 개략도이다.
도 4는 광섬유로 부분적으로 인발시킨 광자결정 광섬유 예비성형체의 개략도이다.
도 5는 클래딩 홀이 장방형 격자를 형성하고 있는 본 발명에 따른 첫 번째의 편광-유지 광자결정 광섬유의 개략단면도이다.
도 6은 코어 주위의 클래딩 홀 패턴이 2배 대칭성인 본 발명에 따른 두 번째의 편광-유지 광자결정 광섬유의 개략단면도이다.
도 7은 코어로부터 이격된 위치의 클래딩 홀 패턴이 2배 대칭성인 본 발명에 따른 세 번째의 편광-유지 광자결정 광섬유의 개략단면도이다.
도 8은 격자의 코어 내의 유전체 포접부 패턴이 2배 대칭성인 본 발명에 따른 네 번째의 편광-유지 광자결정 광섬유의 개략단면도이다.
도 9는 정방형 격자를 갖는 광자결정 광섬유를 형성하기 위한 케인의 배열에 대한 개략 단면도이다.
도 10은 2종의 상이한 직경 중 어느 하나를 갖는 홀로 된 정방형 격자를 갖는 광자결정 광섬유 부분에 대한 개략 단면도이다.
도 11은 정방형 격자를 갖는 광자결정 광섬유를 도시한 도면이다.
도 12는 광자결정 광섬유를 형성하는 스택부를 형성하는 케인을 도시한 도면이다.
도 13은 도 12에 나타낸 바와 같은 스택으로 형성되는 광자결정 광섬유를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 다른 방법에 사용하기에 적합한 모세관 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 도 14의 스택과 함께 사용되는 기구를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16a는 도 14의 것과 유사한 예비성형체로부터 만들어지는 광자결정 광섬유의 쪼개진 단부면과 도 15의 기구와 함께 나타낸 도면이다.
도 16b는 도 16a의 광섬유의 코어 주위 구조에 대한 세부도이다.
도 17a는 도 15의 기구와 함께 만들어진 고도로 복굴절성인 광섬유를 도시한 도면이다.
도 17b는 도 17a의 광섬유에 있어서 1550nm 파장에서 관측된 편광 비팅을 도시한 그래프도이다.
가장 간단한 형태로써 도 1에 나타낸 예와 같은 표준 섬유는 본질적으로 원통상 코어(10)와 동심원적인 원통상 클래딩(20)으로 구성된다. 전형적으로는, 코어와 클래딩 양자는 동일한 소재, 통상적으로는 실리카로 만들어지나, 코어(10)의 굴절율은 높이고 클래딩(20)의 굴절율은 낮추기 위해서 각각은 다른 소재로 도우핑된다. 적절한 파장의 광선은 코어(10) 내에 유폐되고, 코어-클래딩 경계(15)에서의 내부 전반사에 의해 코어 내부에서 도파된다.
도 2에 도시한 전형적인 광자결정 광섬유는 투명한 벌크재(30)(예컨대, 실리카) 원통체와 그 길이 방향을 따라 뻗어있는 원통상 홀(40)들의 격자로 구성된다. 상기한 홀들은 정육각형의 중심 및 정점에 배열되어 6배 회전 대칭성을 갖는다.
상기한 홀들은 규칙적인 주기성을 가지며 광섬유의 중심 인근의 하나의 홀의 생략은 주기성을 깨트린다. 생략된 홀 부위를 에워싸는 광섬유 영역(50)은 벌크재(30)의 굴절율을 가진다. 광섬유의 나머지 부분의 굴절율은 벌크재(30) 및 홀(40) 내의 공기 양자의 굴절율에 의해 결정된다. 공기의 굴절율은, 예컨대, 실리카의 굴절율 보다 낮으며, 결과적으로, 홀을 갖는 소재의 "유효 굴절율"은 생략 홀을 에워싸고 있는 영역(50)의 굴절율 보다 낮다. 따라서, 상기한 광섬유는 표준 광섬유에 있어서 내부 전반사에 의해 도파되는 것과 유사한 방식으로 대략 영역(50)에 광을 유폐시키게 된다. 따라서, 상기한 영역(50)은 광자결정 광섬유의 '코어'라 지칭된다.
광자결정 광섬유의 다른 형태에 있어서, 광자 밴드 갭 도파는 광섬유 '코어'에 광선을 유폐시키는 작용을 한다. 도 3에 나타낸 광섬유와 같은 예에 있어서는, 벌크재(30) 내에 홀(70)의 매트릭스가 존재한다. 상기한 홀은 규칙적인 정육각형의 정점(중심은 제외, 도 2에 나타낸 바와 유사)에 배열되어 6배의 회전 대칭성을 가진다. 매트릭스의 규칙성은 다시 결함에 의해 깨트려지나, 격자 육각형 중 하나의 중심, 도시된 예에 있어서는, 광섬유의 중심에 인접한 육각형의 중심에 추가적인 홀(60)이 존재한다. 추가적인 홀(60)을 에워싸는 영역을 다시금 광섬유의 코어라 지칭한다. 홀(60)을 잠시 동안 무시하면, 광섬유 내의 홀의 주기성은 광섬유 내에서 전달될 수 있는 광의 전달 상수 중에 밴드-갭이 존재하게 된다는 것이다. 홀(60)의 추가는 상이한 주기성을 갖는 영역을 효과적으로 창출하게 되며, 상기한 영역은 광섬유의 나머지 부분에서 지원되는 것들과는 상이한 전달 상수를 지원할 수 있다. 홀(60) 영역에서 지원되는 몇몇 전달 상수가 광섬유의 나머지 부분에서 금지되어 있다면, 이들 전달 상수들을 갖는 광은 코어에 유폐될 것이며 그 내부에서 전달될 것이다. 홀(60)은 저지수(low-index) 결함을 갖고 있으므로(그 곳에는 벌크재가 존재하지 않을 것이므로 공기가 존재하게 될 것임), 도시된 예에 있어서는 내부 전반사 효과는 도파와 무관하다.
광자결정 광섬유는 도 4에 하나의 단계가 도시된 방법에 의하여 제조될 수 있다. 상기한 방법의 첫 번째 단계(미도시)에 있어서는, 원통상의 벌크재(예컨대, 실리카)를 연마하여 육각형의 단면을 갖도록 만들고 그 중심을 따라 홀을 천공한다. 이어서, 이 막대를 섬유 인발 타워를 사용하여 케인으로 인발한다. 이 케인을 길이 방향으로 절단하고, 결과로서 얻어지는 짧은 케인(80)을 도 4에 도시한 바와 같이 케인 배열체를 형성하도록 스택킹한다. 도시된 배열체의 중심 케인(100)은 모세관이 아니다; 즉, 홀을 갖지 않는다; 도시된 배열체는 유효-지수 도파 타입(effective-index guidance type)의 광섬유를 형성한다. 케인(80) 배열체는 함께 융합된 다음 최종적인 광자결정 광섬유(110)로 인발된다.
도 5에 도시된 광섬유는 장방형의 정점들에 배열되는 홀로 된 격자(120)를 가지며 정방형은 아니다. 상기한 격자의 주기성은 광섬유 단면의 중심 부근의 영역(125) 내에 홀을 생략하는 것에 의해 깨트려진다. 홀들의 중심 대 중심 간격(피치)은 축 y에 평행한 피치(Λy)로부터 축 x에 평행한 피치(Λx)까지 상이하다. 도 5에 나타낸 광섬유는 장방형 단면을 갖도록 연마된 케인을 이용하여 제조될 수 있 다. 도 5의 격자는 2배의 회전 대칭성을 가지며 따라서 복굴절성이 될 것이다.
도 6 및 7은 도 2의 광섬유의 격자와 유사한 육각형 격자를 갖는 유효-지수-도파 광섬유인 광자결정 광섬유를 도시하고 있다. 이러한 격자는 고유적으로 복굴절성이 아니다. 그러나, 도 6 및 7에 나타낸 격자에 있어서, 홀(140)은 홀(130) 보다 더 큰 직경을 갖는다. 격자의 이방성은 상기한 격자 중에 하나의 홀이 생략된 영역(135)에 대하여 2배의 회전 대칭 패턴 홀을 창출한다.
도 6에서의 큰 홀(140)의 패턴은 표준 섬유에 있어서의 형태 복굴절성 효과와 유사한 효과를 갖는다. '코어'(135)에 인접한 홀의 직경 변화는 도파 모드에 의해 나타나는 유효 지수에 있어서의 변화를 직접 유발한다.
도 7에서의 큰 홀(140)의 패턴은 표준 섬유에 복굴절이 초래되는 것과 유사한 방식으로 복굴절을 야기하는 코어에의 응력을 생성한다. 표준 섬유에서는 가능하지 않은 새로운 효과는, 인발 과정 중 광섬유 내의 응력 패턴이 하나의 축을 따라 광섬유 코어(135)를 에워싸는 몇몇 공기 홀을 변형시켜서 부가적인 복굴절을 나타낸다는 것이다.
도 8에 도시한 다른 선택적인 예는, 몇몇 홀(150)을 공기 이외의 다른 소재로 충진시킨 것이다(그리하여 이들은 상이한 유전 상수를 가짐). 한편, 상기한 격자의 6배 회전 대칭성은 2배의 회전 대칭성으로 저감된다.
도 9에 나타낸 케인의 스택은 세 가지 타입이 있다: 모세관인 큰 직경의 케인(160), 작은 직경의 고체 케인(170) 및 큰 직경의 고체 케인(180). 상기한 케인들은 큰 직경의 케인(160)이 정방형 격자를 형성하도록 배열되며, 큰 직경의 고체 케인(180)인 중심 위치의 결함에 의해 주기성이 깨트려진다. 케인(160)의 원형 단면에 기인하는 비모자이크성으로 인한 빈 틈은 작은 직경의 케인(170)이 채워진다.
2배 대칭성을 갖는 광자결정 광섬유를 도 10에 도시한다. 이 광섬유는 도 9의 스택과 유사한 방식으로 배열된 케인의 스택으로 구성될 수 있는 격자 구조를 갖는다. 고체 케인(180)은 결함(210)과 유사한 결함을 갖게 된다. 그러나, 이 경우에 있어서는, 교호적인 열을 이루는 홀(190,200)이 각각 크고 작은 직경을 갖는다. 이러한 효과는 크고 작은 내경을 갖는(그러나, 외경은 일정함) 교호적인 열을 이루는 케인(160)을 도 9의 격자에 제공하는 것에 의해 달성될 수 있다.
도 11의 광섬유는 도 9의 스택으로부터 제조될 수 있는 바와 같은 대략 정방형 격자를 갖고 있음을 확인할 수 있다.
도 12는 모세관으로 된 케인(220)의 스택을 나타낸다. 이 케인은 육각형 격자로 배열되어 있으며 고체 케인(240)에 의해서 구조 주기성이 깨트려지고 있다. 사진 상의 대략 중간 위치의 케인 열은 다른 모세관의 벽(230) 보다 더 두꺼운 벽(250)을 갖고 있음을 주목하여야 한다. 광섬유가 케인의 스택으로부터 인발되는 경우, 이러한 배열체는 도 13에 나타낸 바와 같이 광섬유에 있어서의 다른 홀 보다 작은 직경을 갖는 홀(260)의 한 열을 갖는 광섬유가 될 것이다.
다양한 매개 변수에 있어서 변화하는 수많은 다른 패턴의 모세관 및 케인을 착상할 수 있으나 이 또한 본 발명의 영역 내이다.
광섬유를 제조하는 다른 방법을 도 14 및 도 15에 도시한다. 규칙적인 배열의 모세관 스택을 두꺼운 벽체를 갖는 실리카 유리 튜브(310) 내측에 위치된다(도 14). 상기한 실리카 유리 튜브(310)는 인발 후 광섬유의 일부를 형성하며 기계적 강도를 제공하는 자켓으로서 기능한다. 인발 과정 중(도 15), 상기한 튜브(310) 안쪽은 비움 가능한 구조 내에 튜브를 밀폐시키는 것에 의해 비워지는 한편, 몇몇 또는 전부의 모세관(300) 안쪽은, 예컨대, 이들을 대기압 하에 열어 방치하는 것으로 인하여 상기한 튜브 안쪽과는 상이한 더 높은 압력으로 유지된다.
비움 가능한 구조는 황동 실린더(320)이다. 초기에는 양단이 개방되어 있다. 이어서, 이 실린더(320)는 튜브(310)로 일단이 밀폐된다. 이 튜브를 황동 실린더 (320) 내에 위치 고정시킨다. 모세관(300)의 일부 또는 전부를 상기한 황동 실린더(320)를 통하여 완전히 통과시켜, 상기한 실린더의 상단부를 통하여 완전히 통과시킨 이들 모세관 주위를 밀봉시킨다. 인발 과정 중, 상기한 황동 실린더(320)은 비워진다.
인발 중에, 튜브(310) 및 모세관(300)은 황동 튜브로부터 하방으로 인발되며, 외측 튜브(310)는 속이 비워졌음에도 불구하고 두꺼운 벽을 갖고 있으므로 붕괴되지 않는다. 이와는 대조적으로, 모세관 벽에 의해 한정되는 이미 더욱 작아지고 상대적으로 얇은 경계를 갖는 모세관(300) 사이의 빈틈 홀은 신속히 붕괴되어 최종 튜브 내에서는 존재하지 않게 된다(이것이 바람직함). 비워진 모세관도 그 주위에 더 높은 압력이 존재한다면 완전히 붕괴될 것이다. 다른 한편으로, 대기압의 공기가 채워진 모세관들은 팽창된다.
바로 위에서 기술한 방법을 채택하는 것에 의해서, 매우 규칙적이고 얇은 벽을 갖는 구조를 형성시키는 것이 가능하며 매우 작은 도파 코어를 갖는 광섬유를 제조하는 것이 가능하다.
도 16은 인발 후 튜브를 구성하는 외측 클래딩(330) 및 모세관(300)으로 구성되는 내측 클래딩(340)을 갖는 바와 같은 광섬유를 보여주고 있다. 상기한 내측 클래딩은 대략 10㎛의 반경이고 벌집 구조의 팽창된 홀을 포함한다. 상기한 홀들은 모세관이 아닌 연장된 케인으로 형성되며 직경이 대략 1㎛인 도파 코어를 에워싸고 있다. 도 16에 나타낸 광섬유는 모든 모세관(300)을 실린더(320)를 통하여 완전히 통과시키는 것에 의하여 제조되며 실질적으로 다-배수(multi-fold) 회전 대칭이므로 이 광섬유는 실질적으로 복굴절성이 아니라는 것을 인지하여야만 할 것이다.
이와는 대조적으로, 도 17a는 특정한 위치에 더욱 두꺼운 벽을 갖는 모세관을 스택킹하는 것에 의하여 고도로 복굴절성으로 만든 광섬유를 나타내고 있으며, 이들 위치에는 더욱 작은 공기 홀(360)이 형성되어 있다. 상기한 광섬유를 제조하는 다른 선택적인 방법은 네 개의 선택된 모세관을 실린더(320) 내에 위치 고정시키는 것일 수 있다; 선택된 이들 모세관(300) 내의 홀은 인발 중 팽창되지 않으며, 따라서 네 개의 작은 홀(360)을 제공한다. 도 17a의 광섬유는 고도로 복굴절성이며, 그 이유는 내측 클래딩의 직경을 따라 코어의 어느 한 쪽에 놓여 있는 네 개의 작은 홀(360)에 의해 단지 2배의 대칭성만을 갖게 되기 때문이다.
도 17b는 도 17a의 광섬유의 편광 비팅 데이터를 나타낸다. 이 데이터로부터, 상기한 광섬유의 비트 길이는 1550nm의 파장에서 0.92mm임을 보여주고 있으며; 이러한 비트 길이는 상기한 광섬유가 편광-유지성의 단일 모드 광자결정 광섬유로서 작용하기에 충분히 짧은 것이다.

Claims (43)

  1. 하기의 단계로 구성되는 광자결정 광섬유의 제조방법:
    (a) 각각 길이 방향축, 제1 단 및 제2 단을 갖는 다수의 연장된 케인들을 제공하되, 상기한 케인들 중 적어도 일부는 각각 상기한 케인의 길이 방향축에 평행하고 상기한 케인의 제1 단으로부터 상기한 케인의 제2 단으로 뻗어 있는 홀을 갖는 모세관인 케인 제공단계;
    (b) 상기 케인들을 그 길이 방향축이 상기한 케인들 상호간 및 스택의 길이 방향축에 실질적으로 평행하게 배열하여 상기 케인들을 하나의 스택으로 형성하고 함께 융합함으로써 예비성형체를 형성하는 단계;
    (c) 적어도 하나의 모세관 홀을 제1 압력의 유체원과 연통된 상태로 유지시킴과 동시에, 상기한 홀 주위의 압력을 제2 압력으로 유지시키면서 상기 예비성형체를 인발시키되, 여기서 제1 압력하의 홀이 인발 과정 중에 압력 차이 없이 다른 크기가 되게 하는 인발 단계.
  2. 제1항에 있어서, 제1 단 및 제2 단을 갖는 튜브가 상기 케인들의 스택을 그들의 길이의 적어도 일부에 걸쳐 둘러싸고, 상기 튜브의 내측은 제2 압력으로 유지되는 광자결정 광섬유의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기한 튜브가 제1 내부 압력하의 적어도 하나의 홀의 팽창을 억제하는 광자결정 광섬유의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기한 튜브가 압력 차이 없이 변형되는 것과는 전혀 다르게 변형되지 않는 것인 광자결정 광섬유의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 인발 과정 중에,
    (A) 상기한 튜브의 제1 단이 비워질 수 있는 구조체(evacuatable structure)의 제1 단에 인접하게 밀봉시키며 상기한 튜브의 제2 단은 상기한 비워질 수 있는 구조체 내에 위치하고; (B) 모세관의 적어도 일부는 상기한 비워질 수 있는 구조체를 통과하여 상기한 구조체의 제2 단을 밀봉시키며; (C) 상기한 비워질 수 있는 구조체는 제2 내부 압력을 생성시키기 위하여 실질적으로 비워지는 광자결정 광섬유의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기한 비워질 수 있는 구조체가 금속 튜브인 광자결정 광섬유의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 예비성형체가 임의의 길이 방향축에 대하여 최대 2배의 회전 대칭성을 갖는 광자결정 광섬유의 제조방법
  8. 제1항에 있어서, 상기 예비성형체가 하방으로 함께 인발되어 인발 섬유의 일 부분을 형성하는 튜브로 둘러싸여지는 광자결정 광섬유의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 인발 중에 상기 홀들 중 적어도 일부의 팽창이 제어되는 광자결정 광섬유의 제조방법.
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