[논문]새로운 구조의 큰 복 굴절을 가진 광자결정 광섬유의 제작에 관한 연구

마경식; 김길환; 황규진; 엄성훈; 이관일; 정제명; 이상배

doi:10.3807/kjop.2010.21.6.235

새로운 구조의 큰 복 굴절을 가진 광자결정 광섬유의 제작에 관한 연구
Study on the Novel Fabrication Method of Highly Birefringent Photonic Crystal Fiber 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.21 no.6, 2010년, pp.235 - 240

마경식 (한국과학기술연구원 포토닉스 센서 시스템 센터) , 김길환 (한국과학기술연구원 포토닉스 센서 시스템 센터) , 황규진 (한국과학기술연구원 포토닉스 센서 시스템 센터) , 엄성훈 (한국과학기술연구원 포토닉스 센서 시스템 센터) , 이관일 (한국과학기술연구원 포토닉스 센서 시스템 센터) , 정제명 (한양대학교 디지털 시스템 디자인 및 광통신 연구실) , 이상배 (한국과학기술연구원 포토닉스 센서 시스템 센터)

초록
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Stack-and-draw 방법을 사용하여 새로운 구조의 높은 복굴절을 가진 광자 결정 광섬유(highly birefringent photonic crystal fiber, Hi-Bi PCF)를 제작하였다. 제작된 광섬유는 공기구멍으로 구성된 클래딩 외부에 큰 공기구멍을 추가함으로써 광섬유 인출 과정중에 코어와 공기층 클래딩 영역에 비대칭적인 압력이 인가되어 코어가 타원형으로 변형되어 복굴절이 유도된다. 제작된 Hi-Bi PCF의 복굴절은 1550 nm에서 $2.29{\times}10^{-4}$로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We fabricate highly birefringent photonic crystal fiber with new structure using a stack and draw method. Fabricated fiber has two big air holes, one at each side of the outside air cladding region, leading to core ellipticity during the drawing process. Birefringence of the fabricated Hi-Bi PCF is ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 온도에 영향을 받지 않으면서 독립적으로 물리적 환경 변화 요소를 측정 할 수 있다는 장점이 있어 많은 연구가 진행되고 있다^[7]. 본 논문에서는 solid 코어 형태의 PCF가 복굴절 특성을 가질 수 있도록 새로운 방식의 구조를 제안하고, 제작하였다. Solid 코어 PCF는 공기층 범위 밖의 클래딩 부분에 큰 공기구멍을 추가함으로써 광섬유 인출 과정 중에 코어와 공기층 클래딩영역에 비대칭적인 압력을 가해지게 함으로써 결과적으로 타원형의 코어를 형성하게 되어 큰 복굴절을 갖도록 하는 방식으로 제작하였다.

가설 설정

6. (a) PDL (b) DGD of fabricated PCF with no birefringence. The inset is the cross section of the measured PCF

제안 방법

PCF형태의 단일모드 광섬유의 복굴절 광섬유의 장점들을 가지면서 단점을 보완할 수 있는 새로운 구조의 Hi-Bi PCF를 제안하고 제작하였다. 제안한 구조는 단면을 보았을 때 공기층 클래딩 영역 밖에 두 개의 큰 공기구멍이 위치하는 형태이며, 클래딩 영역에 위치한 큰 공기구멍을 광섬유 인출 시 코어와 공기층 클래딩 영역에 비대칭적인 압력을 줌으로써 광섬유 코어가 타원이 되도록 하여 복굴절을 갖게 하였다.
본 논문에서는 solid 코어 형태의 PCF가 복굴절 특성을 가질 수 있도록 새로운 방식의 구조를 제안하고, 제작하였다. Solid 코어 PCF는 공기층 범위 밖의 클래딩 부분에 큰 공기구멍을 추가함으로써 광섬유 인출 과정 중에 코어와 공기층 클래딩영역에 비대칭적인 압력을 가해지게 함으로써 결과적으로 타원형의 코어를 형성하게 되어 큰 복굴절을 갖도록 하는 방식으로 제작하였다.
그리고 PDL과 DGD는 Tunable 레이저(Ando AQ4321D)와 편광 측정기(Tektronix PAT 9000B)를 이용하여 1520 nm에서 1620 nm 파장까지 0.5 nm 간격으로 측정하였다. 복굴절이 인가된 PCF와 복굴절이 인가되지 않은 PCF를 비교하기 위해서 두가지 PCF의 PDL과 DGD를 각각 측정해 보았다.
특히 본 논문에서 제안한 구조의 PCF는 큰 공기구멍의 팽창 정도에 따라 코어의 타원형 비율 즉 복굴절 값이 결정되기 때문에 온도, 압력 조절이 중요하다. 모재의 균일한 공기층을 유지하기 위하여 온도를 약 2000℃에서 약 1800℃까지 단계적으로 낮추고, feeding과 caption의 속도를 높인다. 그리고 공기층 클래딩 영역 밖에 위치하고 있는 공기구멍이 충분히 부풀어 올라 코어에 비대칭적인 압력을 가할 수 있도록 압력 조절을 해준다.
5 nm 간격으로 측정하였다. 복굴절이 인가된 PCF와 복굴절이 인가되지 않은 PCF를 비교하기 위해서 두가지 PCF의 PDL과 DGD를 각각 측정해 보았다. 그림 6은 복굴절이 인가되지 않은 상태의 PCF의 PDL과DGD를 같은 길이로 측정하였다.
PCF형태의 단일모드 광섬유의 복굴절 광섬유의 장점들을 가지면서 단점을 보완할 수 있는 새로운 구조의 Hi-Bi PCF를 제안하고 제작하였다. 제안한 구조는 단면을 보았을 때 공기층 클래딩 영역 밖에 두 개의 큰 공기구멍이 위치하는 형태이며, 클래딩 영역에 위치한 큰 공기구멍을 광섬유 인출 시 코어와 공기층 클래딩 영역에 비대칭적인 압력을 줌으로써 광섬유 코어가 타원이 되도록 하여 복굴절을 갖게 하였다. 제작한 광섬유의 편광 특성 및 간섭 전송 특성을 통해 제작한 광섬유는 2.
제작한 Hi-Bi PCF의 기본적인 광학적 특성, 광투과 특성, 복굴절 양을 계측하기 위한 DGD(Differential Group Delay) 측정 등을 하였다.
첫 번째 단계인 모재 제작과정은 우선 실리카 막대를 1 mm로 인출하고, 실리카 튜브를 1 mm 와 2.6 mm로 인출을 한다. 2.
첫번째로 전송스펙트럼의 측정을 위해 Hi-Bi PCF 2 m 양단에 단일 모드 광섬유를 각각 용융 접속 하였고, supercontinuum 광원과 OSA에 연결하여 광투과 특성을 측정하였다. 그림 5는 측정된 그래프이다.

대상 데이터

측정에 사용된 Hi-Bi PCF 길이는 3.5 m이고, 간섭 스펙트럼을 통해 측정한 간섭무늬 측정한 간섭무늬 간격 Δλ는 중심 파장 1550 nm 에서 3 nm 이었다.

이론/모형

PCF는 공기층이 존재하는 구조이기 때문에 기존의 광섬유인출과는 다른 방식으로 제작을 한다. PCF를 제작하는 방법으로는 stack-and-draw, 천공(drilling), 사출 성형 등이 있으며 본 논문에서는 stack-and-draw 방법을 이용하여 PCF 제작을 진행하였다^[8]. 그림 2는 Hi-Bi PCF의 제작과정을 간단하게 도식화 한 것이다.
제작한 Hi-Bi PCF의 복굴절 값을 구하기 위해 Sagnac Loop Interferometer(SLI)를 구성하였다.

성능/효과

하지만, 일반 단일 모드 광섬유 복굴절 값(~10^-6)보다는 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 논문에서의 Hi-Bi PCF는 모재 내부의 negative 압력 조절을 통하여 더 큰 복굴절을 인가하는 것이 가능하다.
그리고 DGD를 통해 예상한대로, 제작한 PCF의 복굴절 값은 기존 PANDA 광섬유 복굴절 값(1550 nm에서 4.45×10-4)보다는 작았다.
028 ps/nm 이었다. 반면에 복굴절이 인가된 상태의 PCF에서 측정된 PDL은 그림 7에서와 같이 1550 nm에서 0.105 dB이었고, DGD는 1550 nm에서 약 2.18 ps/nm 이었다
그림 6의 복굴절이 인가되지 않은 광섬유와 그림 7의 제작한 Hi-Bi PCF를 비교했을 때 PDL의 차이는 거의 없고 DGD의 값이 커진 것으로 제작한 광섬유에 복굴절이 인가됨을 알 수 있다. 이 결과로써 공기구멍으로 이루어진 클래딩 영역 밖의 두 홀은 복굴절 발생에 영향을 주지 않으며, 단지 코어가 타원형이 됨으로써 복굴절이 인가됨을 확인할 수 있다. 그림 8의 기존의 상용화 된 PANDA 광섬유도 같은 길이로 측정 하였을 때 PDL(약 0.
그림 5는 측정된 그래프이다. 제작한 광섬유의 코어 직경이 작기 때문에 기존의 단일모드 광섬유와 용융 접속과정에서 생기는 MFD(Mode Field Diameter, 단일 모드 광섬유 약 10 ㎛) 오차에 의한 손실이 크기 때문에 전송 스펙트럼을 보면 전송손실이 약 10 dB정도 측정되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 1050 nm 대역의 리플들은 supercontinuum 광원 자체 펌핑에 의해 발생된 것이다.
제작한 광섬유의 편광 특성 및 간섭 전송 특성을 통해 제작한 광섬유는 2.29×10-4의 복굴절을 갖는 것을 확인 할 수 있었다.
그림 6은 복굴절이 인가되지 않은 상태의 PCF의 PDL과DGD를 같은 길이로 측정하였다. 측정된 PDL은 1550 nm에서 0.098 dB이었고, DGD는 1550 nm에서 0.028 ps/nm 이었다. 반면에 복굴절이 인가된 상태의 PCF에서 측정된 PDL은 그림 7에서와 같이 1550 nm에서 0.

후속연구

29×10^-4의 복굴절을 갖는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 두 개의 큰 홀에 액체^[11], 가스^[12], 금속^[13], 굴절률이 다른 rod[14] 등의 삽입을 통한 센서구현으로 많은 응용이 가능할 것으로 사료된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광섬유의 특징은?	센싱과 통신시스템분야에서 편광유지를 위한 높은 복굴절 특성을 가진 광섬유 또한 발전을 거듭하였다. 특히 크기가 작고 가벼우며 거의 모든 종류의 물리량을 측정할 수 있고, fiber grating 소자, 복 굴절 특성을 갖는 광섬유는 전자파 장애에 영향을 받지 않으며, 광 손실이 적고 정보전송 대역폭이 넓어 많은 수의 센서를 광섬유 한 가닥에 연결하여 측정할 수 있다는 점등 많은 장점들이 있어 꾸준한 연구가 진행되고 있다[1-2]. 복굴절 특성을 갖는 구조의 광섬유는 코어의 축에 따라 굴절률이 다르므로 코어로 도파되는 빛의 편광 특성에 영향을 준다.
	복굴절 특성을 갖는 구조의 광섬유의 특징은?	특히 크기가 작고 가벼우며 거의 모든 종류의 물리량을 측정할 수 있고, fiber grating 소자, 복 굴절 특성을 갖는 광섬유는 전자파 장애에 영향을 받지 않으며, 광 손실이 적고 정보전송 대역폭이 넓어 많은 수의 센서를 광섬유 한 가닥에 연결하여 측정할 수 있다는 점등 많은 장점들이 있어 꾸준한 연구가 진행되고 있다[1-2]. 복굴절 특성을 갖는 구조의 광섬유는 코어의 축에 따라 굴절률이 다르므로 코어로 도파되는 빛의 편광 특성에 영향을 준다. 복굴절을 갖는 광섬유를 이용한 광 센서는 이러한 특성을 이용하며, 광자결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber; PCF)가 보고되기 전에는 기존의 PANDA형태의 복굴절 광섬유를 이용한 광센서로 다양한 물리량을 측정하는 연구가 활발히 진행되어왔다.
	광자결정 광섬유의 단일모드 광섬유 대비 장점은?	하지만 기존의 복굴절을 갖는 광섬유는 온도변화에 따른 굴절률 변화가 각기 다른 두 가지 이상의 매질을 이용해 제작되었기 때문에, 온도에 무관한 독립적인 물리량 하나만 측정 하는데는 어려움이 있다. PCF 는 기존의 광섬유와 다른 구조로써 클래딩 영역에 공기구멍들이 주기적으로 배열되어 있는 구조로 클래딩 영역의 공기구멍 크기 등을 조절하여 코어와 클래딩의 유효 굴절률 차이를 조절 할 수 있어, 기존의 단일모드 광섬유로는 구현하기 어려운 Endless 단일 모드 전송[3], 넓은 코어 면적[4], 저 분산 및 큰 비 선형효과[5], 큰 복굴절[6]과 같은 특성들을 쉽게 얻을 수 있다. 특히, 복굴절 특성을 기존의 광섬유 보다 쉽게 얻을 수 있다. 일반 편광유지 광섬유는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)법으로 모재를 제조할 경우, 클래딩 증착후 코어 양쪽으로 클래딩을 에칭(etching)한 후 콜랩스(collapse)하여나비넥타이형 편광유지 광섬유를 제작할 수 있다.

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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