KR20040007045A - 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 모드 광 섬유에 광을 삽입하는 구조에 관한 것으로, 간단한 구조로서 광 파이버에 삽입되는 광 효율을 높게 하여, 부품의 제작 단가를 줄이고, 공정을 단순하게 하기 위하여 이용되는 발명이다.

Description

광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조 {Structure of optical fiber for laser beam launching}

본 발명은 단일 모드 광 섬유에 레이저 빔을 삽입시키는 구조에 관한 것으로, 광 통신 등 광 섬유와 관련되어 이용되는 발명이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 광 섬유는 클래딩 (Cladding) (1)과 코아 (Core) (2)로 구성되며, 코아에 이용되는 재질의 굴절률이 클래딩의 굴절률 보다 커서, 광 섬유에 삽입된 빔(3)은 광 섬유 밖으로 빠져나가지 못하고 광 섬유 내에 구속되어 전파되게 된다.

광 섬유는 이용되는 방식에 따라 단일 모드 광 섬유와 다중 모드 광 섬유로 크게 나눌 수 있다. 도 1에 예시된 다중 모드 광 섬유는 코아 내 빔의 전파 모드 즉 빔(3)의 각도가 2개 이상이며, 도 2에 예시된 단일 모드 광 섬유는 빔의 전파 모드가 하나인 광 섬유이다. 즉 단일 모드 광 섬유에서는 코아(4) 내에서 전파되는 레이저 빔(5)의 각도가 코아와 평행하다.

다중 모드 광 섬유의 코아(2) 직경은 대략 50 마이크로 미터 근방인 반면 단일 모드 광 섬유의 코아(4) 직경은 대략 10 마이크로 미터 근방으로 작다.

이러한 광 섬유를 이용하기 위해서는 광 섬유에 레이저 빔을 삽입하여야 하는 데 여기에 주로 이용되는 레이저가 반도체 레이저 다이오드이다. 도 3을 참조하면, 반도체 레이저 다이오드는 칩(chip)(6) 형태로 제작되며, 레이저 빔(7)은 레이저 다이오드의 발광 점(8)으로부터 출사한다. 반도체 레이저에서 출사하는 빔(7)은 특정한 방사 각(9)을 가지는데 일반적으로 20~30도 근방의 값을 갖는다. 출사한 레이저 빔(7)을 도 4에 예시된 바와 같이 광 섬유 (12)의 코아(10)에 삽입시킬 경우, 레이저 빔의 방사 각(9)으로 인하여 대부분의 광이 코아(10)에 삽입되지 못하고 손실되게 된다. 특히 코아 직경이 작은 단일 모드 광 섬유를 이용할 경우, 광 손실은 크게 증가하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 광 삽입용의 렌즈를 이용한다. 도 5를 참조하면 레이저 다이오드(6)에서 출사한 레이저 빔(7)은 렌즈(13)에 의하여 모아져 광 섬유(12)의 코아(10)에 삽입된다. 이러한 구성을 이용하여, 광 손실을 크게 줄일 수 있으나 별도의 렌즈를 이용하여야 하므로 부품 수가 늘어나고, 레이저 다이오드(6), 렌즈(13) 그리고 광 섬유(12)를 고 정밀도로 정열 시켜야 하는 어려움이 발생한다.

도 6은 부품 수를 줄인 다른 종래의 빔 삽입 구조를 예시한 것이다. 이 구조에서는 광 섬유(17)의 끝 단을 특수 공법으로 렌즈(18)로 가공하며, 레이저 빔(7) 전파 구간 확보를 위하여 광 섬유의 끝의 일부(14)는 코아가 없는 구조로 제작된다. 이 구조에서 레이저 다이오드(6)에서 출사한 레이저 빔(7)은 광 섬유(17) 끝의일체화 렌즈(18)에서 모아지고, 코아가 없는 영역(14)을 지나, 코아(16)에 삽입된다. 이 종래 구조에서는 부품의 수를 줄여 공정을 단순하게 하였으나, 레이저 다이오드(6)과 광 섬유(17)의 거리 공차가 지나치게 엄밀하고, 광 섬유의 끝 단에 형성된 렌즈(18)의 특성에 따라 광 삽입 손실이 크게 차이가 나는 문제가 있다.

레이저 다이오드에서 출사하는 레이저 빔을 코아 직경이 작은 단일 모드 광 섬유에 삽입하는 경우, 도 5와 같이 별도의 광 집속 렌즈를 사용하거나, 도 6과 같이 광 섬유에 일체화 제작된 렌즈를 사용하여야 하나, 렌즈를 사용할 경우 레이저 다이오드에 대한 광 섬유의 정열 오차가 지나치게 엄밀하다. 따라서 광 섬유와 레이저 다이오드 조립에는 초 정밀 조립이 적용되어야 하며, 이에 따라 조립 단가가 크게 증가하게 된다.

본 발명은 종래의 방법이 갖는 공정의 복잡성을 해소함과 동시에 요구되는 조립 정밀도를 낮추는데 목적이 있다.

도 1은 일반적인 2개 이상의 빔 전파 모드를 갖는 다중 모드 광 섬유의 구성도.

도 2는 일반적인 하나의 빔 전파 모드를 갖는 단일 모드 광 섬유의 구성도.

도 3은 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 레이저 빔 출사 특성도.

도 4는 일반적인 반도체 레이저 다이오드 출사 빔의 단일 모드 광 섬유로의 삽입도.

도 5는 일반적인 광 집속 렌즈를 이용한 레이저 빔의 단일 모드 광 섬유로의 삽입도.

도 6은 일반적인 광 섬유 일체형 렌즈를 갖는 광 섬유를 이용한 빔 삽입도.

도 7은 본 발명에 따른 자기상 반복을 이용한 광 삽입 구조의 본 발명 구성도.

도 8은 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드를 광 점 만으로 표시한 도면.

도 9는 본 발명에 따른 광 섬유 외부의 레이저 다이오드 광 점을 광 섬유 내부로 동일한 효과가 나타나도록 이동한 도면.

도 10은 본 발명에 따른 등가 광 점을 이용한 모식도.

도 11은 본 발명에 따른 자기상 현상을 설명하는 도면.

도 12는 본 발명에 따른 자기상 현상에 의한 광 삽입을 실시하는 구조도.

도 13은 페룰을 이용한 두 가지 모드의 광 섬유의 결합시킨 본 발명의 실시예를 보인 도면.

도 14는 가열에 의한 코어 영역 확장에 의한 본 발명의 실시 예를 보인 도면.

도 15는 실리콘 기판 상에 형성된 V 자형 홈을 이용한 본 발명의 실시 예를 보인 도면.

도 16은 실리콘 기판 상에서 형성된 도파로를 이용한 본 발명의 실시 예를 보인 도면.

도 17은 별도 제작된 평면 도파로를 제작 조립하여 사용하는 실시 예를 보인 도면.

도 18은 빔 삽입 방법을 역으로 실시하여 광 검출기에 사용하는 실시 예를 보인 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

18: 반도체 레이저 다이오드

20: 다중 모드 광 섬유 영역

21: 단일 모드 광 섬유 영역

22: 다중 모드 영역 코아

23: 단일 모드 영역 코아

24: 레이저 다이오드의 레이저 빔 출사 광 점

36: 자기 상 반복에 의해 단일 모드 광 섬유 코아 앞에 형성된 레이저 광 점

〈수학식의 간단한 설명〉

수학식 1은 자기상을 이용한 광 삽입을 위한 다중 모드 광 섬유의 길이 결정공식.

도 7을 참조하면, 본 발명은 반도체 레이저 다이오드(18), 레이저 빔(19), 다중모드 광 섬유(20) 그리고 단일모드 광 섬유(21)로 구성된다. 이 구성에서 다중 모드 광 섬유(20)는 특정한 길이로 절단되어 단일 모드 광 섬유(21)의 끝에 용접된다. 이 구성을 레이저 다이오드(18)의 레이저 출사 광 점(24)만을 고려하여 표시하면 도 8과 같이 단순하게 나타낼 수 있다. 이 구조에서 다이오드의 광 점(24)을 나온 레이저 빔(19)은 광 섬유 끝 단의 경계면(26)에서 굴절되어 코아(22)내의 레이저 빔(25)이 형성된다. 이 구성에서 코아 내에서의 레이저 빔(25)만을 고려할 경우 도 8의 구성은 도 9와 같이 단순화되어 고려 될 수 있다. 즉 코아(22)의 레이저 빔(25)을 코아 내에 존재하는 광 점(27)에서 출사 한 것으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

따라서 도 7에 예시한 본 발명의 구조는 도 10에 예시한 구성과 동일한 효과를 갖는다. 즉 도7의 레이저 다이오드(18)는 도 10에서 동일효과를 갖는 광 점(27)으로 기술 될 수 있다. 이 때 다중 모드 광 섬유 부분은 동일 효과 광 점(27)을 포함하기 위하여, 추가적인 길이(28)를 갖는다. 이 구성에서 광 점(27)에서 나온 레이저 빔(25)은 자기상(Self-Images) 효과에 의하여 단일 모드 광 섬유(21)의 코아(23)로 삽입되게 된다.

자기 상 효과를 도 11을 참조하여 설명한다. 다중 모드 광 섬유 코아(29) 내의 임의 횡단면(30)에 임의의 입력 광 분포(34)가 형성 주어 질 경우, 특정 거리(32) 만큼 떨어진 횡단면(31)에 입력 광 분포(34)와 동일한 광 분포(35)가 재현된다. 즉 입력된 상과 동일한 자기 상이 일정한 거리(32)를 주기로 반복적으로 나타난다. 특히 입력광의 분포가 도 10의 경우와 같이 파이버 중심에 대하여 대칭적으로 주어 질 경우, 자기상이 형성되는 길이는 다음의 수학식 1로 표현된다.

L = 3 n W 2 /,

여기서 n은 코아(29) 재료의 굴절률, 는 이용된 레이저 빔의 파장, 그리고 W는 코아(29)의 직경(33)을 나타낸다.

이러한 자기 상 효과에 의하여, 도 10의 예시에서 코아(22) 내의 광 점(27)은 특정 길이를 주기로 반복적으로 나타나게 된다. 따라서 도 12에 예시된 바와 같이 이 주기 위치에 단일 모드 광 섬유(21)를 위치 시 킬 경우 단 일 모드 광 섬유의 코아(23) 바로 앞에 광 점(27)의 자기 상(36)이 형성 되게 된다. 따라서 다중 모드 광 섬유(20)로 삽입된 대부분의 광이 단일 모드 광 섬유(21)의 코아(23)에 삽입되게 된다.

본 발명에 의하여 도 5와 도 6의 종래의 구성에서 이용한 광 집속 렌즈 없이 단일 모드 광 섬유에 레이저 다이오드에서 출사하는 레이저 광을 삽입할 수 있다. 즉, 단일 모드 광 섬유에 특정 길이의 다중 모드 광 섬유를 부착시키는 단순 공정에 의하여 렌즈를 대체할 수 있다. 이에 따라, 렌즈 형성 및 가공에 필요한 공정 비용을 줄이고, 광 섬유의 형태가 크게 단순화되어 조립 공정이 용이하게 된다. 또한 이 발명에서 이용되는 다중 모드 광 섬유와 단일 모드 광 섬유는 모두 동일한 외경을 가지므로 조립 공정이 매우 용이하게 된다.

Claims (9)

1. 광을 공급하는 반도체 레이저 다이오드와;

   단일 모드를 갖는 광 섬유와;

   상기 단일 모드 광 섬유의 끝 단에 부착된 자기상이 나타나는 주기를 길이로 하는 다중 모드 광섬유;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.
2. 제 1항에 있어서 반도체 레이저 다이오드에서 출사하여 다중모드 광 섬유에 입사하는 광은, 자기상 현상에 의하여 다중 모드 광 섬유의 끝 단 즉 단일 모드 광 섬유의 선단에 광 점이 형성되어, 단일 모드 광 섬유에 레이저 광을 삽이 시키는 것을 특징으로 하는 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.
3. 제 2항의 동작을 얻기 위하여 다중 모드 광 섬유를 자기상 형성 길이 만큼 절단하여 단일 모드 광 섬유의 끝 단에 용접하여 사용하는 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.
4. 제 2항의 동작을 구현하기 위하여, 도 13에서 예시한 바와 같이, 자기상이 나타나는 길이를 갖도록 절단된 다중 모드 광 섬유(39)와 단일 모드 광 섬유(40)를 광 섬유 조립에서 일반적으로 사용되는 페룰(41) 내에 조립하고 접합제를 이용하여 접합하는 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.
5. 제 2항의 동작을 구현하기 위하여, 도 14에 예시한 바와 같이, 단일 모드 광 섬유(43)에서 자기 상이 나타나는 길이 만큼을 가열하여, 광 섬유의 코아(45) 영역의 굴절률이 확산 되도록 하여 확장된 코아(44)가 형성되어 다중모드가 나타나도록 한 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.
6. 제 2항의 동작을 구현하기 위하여, 도 15에 예시한 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(48)이 장착 될 수 있도록 가공된 실리콘 기판(46)에 V 자형의 홈(47)을 형성하고, 자기상이 형성 되도록 절단한 다중모드 광 섬유(49)와 단일 모드 광 섬유(50)를 V 자형의 홈(47)에 올려놓고, 두 광 섬유의 끝 단이 접촉하도록 한 후 접합한 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.
7. 제 2항의 동작을 구현하기 위하여, 도 16에 예시한 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(52)이 장착될 수 있도록 가공된 실리콘 기판(51) 상에, 식각과 증착 공정으로 자기상이 나타나는 길이를 갖는 다중 모드 도파관(53)을 직접 형성하여, 이 도파관(53)의 끝 단에 광 점(54)이 형성되도록 하고, 단일 모드 광 섬유(55)는 별도의 구조물(56)에 내장되어 광 점(54)에 조립 될 수 있도록 한 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.
8. 제 2항의 동작을 구현하기 위하여, 도 17에 예시한 바와 같이, 다중 모드 광 섬유의 역할을 하는 1차원 다중 모드 광 도파 판(59)을 판상으로 별도 가공하여, 레이저 다이오드 칩(58)을 장착할 수 있는 실리콘 기판(57)에 마련된 장착 위치(60)에 장착함으로써 제 7항과 동일한 작동을 하도록 한 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.
9. 제3항, 4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항 중 어느 한항에 있어서, 도 18에 예시한 바와 같이, 단일 모드 광 섬유(63)에서 오는 빔(65)을 다중 모드 광 섬유(64)를 거쳐 집광 된 레이저 빔(66)을 광 검출 소자(67)에 의하여 검출하도록 하는 것을 특징으로 하는 광 섬유 일체형 레이저 빔 삽입 구조.