[논문]폴리머 테이퍼링 도파로 영역이 있는 저 손실 플라스틱 광섬유 커플러

김광택; 민성환; 윤중현

doi:10.13067/jkiecs.2012.7.4.867

초록
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본 논문에서는 폴리머 테이퍼링 도파로 영역을 포함하는 $1{\times}4$ 형태의 플라스틱 광섬유 커플러를 제안하고 구현하였다. 플라스틱 광섬유와 폴리머 사각 도파로의 접속면에서 광 누설 손실을 줄이기 위해 단면이 원형에서 구형으로 천천히 바뀐 플라스틱 광섬유를 도입하였다. 실리콘 고무로 만들어진 주형을 이용하여 소자를 제작하였다. 제작된 소자는 1.33 dB의 삽입손실과 2.2 dB의 평탄도를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed and demonstrated a low loss $1{\times}4$ type plastic optical fiber(POF) coupler incorporating a polymer tapering waveguide region. To avoid leakage loss at the interfaces between the POF and the polymer waveguide, we employed two POF transition regions, in whic...

In this paper, we proposed and demonstrated a low loss $1{\times}4$ type plastic optical fiber(POF) coupler incorporating a polymer tapering waveguide region. To avoid leakage loss at the interfaces between the POF and the polymer waveguide, we employed two POF transition regions, in which the cross section of the POF is adiabatically converted from a circular to a rectangular shape without change of its cross-section area. The device was fabricated based on a injection mold made of a silicon rubber. The fabricated POF coupler showed 1.33 dB of excess loss and 2.2 dB of flatness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 구조가 간단하고 손실이 작으며 대량생산에 적합한 POF 커플러를 제안하였다. 제안된 POF 커플러의 형태는 1×4 형태이다.
본 논문에서는 테이퍼링된 폴리머 도파로 영역이 있는 1×4형태의 POF 커플러를 제안하고 구현하였다. 제작된 소자들의 초과손실은 1.

가설 설정

여기서 입력광의 분포는 람버트(Lambert) 빔 형태로 가정하였고 파장은 633 nm로 설정하였다. POF 코어의 굴절률은 1.49, 클래딩의 굴절률은 1.41로 가정하였다. 폴리머 도파로의 코어와 클래딩의 굴절률은 POF의 굴절률과 동일한 것으로 가정하였다.
여기서 입력광의 분포는 람버트(Lambert) 빔 형태로 가정하였고 파장은 633 nm로 설정하였다. POF 코어의 굴절률은 1.
41로 가정하였다. 폴리머 도파로의 코어와 클래딩의 굴절률은 POF의 굴절률과 동일한 것으로 가정하였다. 플라스틱 광섬유에 결합되는 광선의 최대 허용 수용각(maximum acceptance angle) 29.

제안 방법

폴리머 도파로와 플라스틱 광섬유를 직접 접속하면 광이 누설되는 빈틈이 발생한다. 광 손실을 줄이기 위하여 플라스틱 광섬유의 단면 구조를 원형에서 사각 구조로 서서히 변형하는 기법을 개발하였다. 실험 결과 제안된 소자는 기본의 POF 커플러[8]보다 삽입손실이 1dB 이상 개선됨을 보였다.
소자의 특성을 측정하기 위해 하나의 실리콘 고무주형을 이용하여 총 6개의 소자를 제작하였다. 제작된 소자들은 파장이 635 nm인 레이저 다이오드를 이용하여 그 특성을 측정하였다.
49인 자외선 경화 에폭시를 채운다. 에폭시의 굴절률은 플라스틱 광섬유의 코어의 굴절률과 동일한 SKII를 이용하였다. 에폭시와 광섬유 코어의 굴절률이 동일하기 때문에 접속면에서 프레넬(Fresnal)반사를 없앨 수 있다.
이 둘을 직접 접속하면 광신호 일부가 빈틈으로 누설된다. 이런 광학적 누설 손실을 줄이기 위해 플라스틱 광섬유 끝부분의 모양을 원형에서 4각(rectangular) 구조로 서서히 변화시켜 접속 부분에서 빈틈이 없도록 설계 및 제작 한다.
실리콘 고무는 다른 물질과 접착되지 않는 특성을 가지고 있어 이를 투명 에폭시를 이용한 도파로 제작의 주형(mold) 재료로 이용하였다. 제안된 소자의 구조는 그림 1과 같이 양쪽 끝에 두 개의 플라스틱 광섬유 변형 영역(POF transition region)있고 중심부에 폴리머 도파로 영역(polymer waveguide region)있다. 도파로 물질의 재질은 굴절률이 1.
제안된 POF 커플러의 형태는 1×4 형태이다. 중간에 폴리머 테이퍼링 도파로를 삽입하여 입력단과 출력단 사이에서 광 신호 분배가 발생하도록 설계하였다. 소자 제작을 위해 실리콘 고무 주형을 이용하였다.

대상 데이터

제안된 소자의 구조는 그림 1과 같이 양쪽 끝에 두 개의 플라스틱 광섬유 변형 영역(POF transition region)있고 중심부에 폴리머 도파로 영역(polymer waveguide region)있다. 도파로 물질의 재질은 굴절률이 1.49인 폴리머의 일종인 자외선 에폭시를 고려하였고, 도파로 외부는 굴절률이 1.41인 폴리머를 코팅한다.
실리콘 고무는 다른 물질과 접착되지 않는 특성을 가지고 있어 이를 투명 에폭시를 이용한 도파로 제작의 주형(mold) 재료로 이용하였다. 제안된 소자의 구조는 그림 1과 같이 양쪽 끝에 두 개의 플라스틱 광섬유 변형 영역(POF transition region)있고 중심부에 폴리머 도파로 영역(polymer waveguide region)있다.
제안된 소자의 제작을 위한 첫 번째 공정은 실리콘 고무 주형물 제작이다. 실리콘 고무를 주형으로 선택한 이유는 에폭시와 접착되는 않는 성질 때문이다.
소자의 특성을 측정하기 위해 하나의 실리콘 고무주형을 이용하여 총 6개의 소자를 제작하였다. 제작된 소자들은 파장이 635 nm인 레이저 다이오드를 이용하여 그 특성을 측정하였다. 입력채널과 각 출력 채널 사이의 삽입손실을 측정하면 초과손실(excess loss)와 평탄도(flatness)를 계산하여 얻을 수 있다.

이론/모형

중간에 폴리머 테이퍼링 도파로를 삽입하여 입력단과 출력단 사이에서 광 신호 분배가 발생하도록 설계하였다. 소자 제작을 위해 실리콘 고무 주형을 이용하였다. 실리콘 고무주형은 다른 물질과 접착되지 않는 성질이 있어 실리콘 주형에 채우는 폴리머 도파로 물질과 쉽게 분리되어 이 주형을 반복적으로 사용할 수 있는 장점을 가지게 된다.

성능/효과

광 손실을 줄이기 위하여 플라스틱 광섬유의 단면 구조를 원형에서 사각 구조로 서서히 변형하는 기법을 개발하였다. 실험 결과 제안된 소자는 기본의 POF 커플러[8]보다 삽입손실이 1dB 이상 개선됨을 보였다.
45dB로 측정되었다. 이 결과는 기존의 소자보다 1∼2 dB 감소함을 실험을 통해 확인하였다. 평탄도는 1.
광분배가 균등하게 일어나기 위해서는 폴리머 도파로의 테이퍼 되는 영역의 길이가 중요하다. 이를 설계 프로그램으로 분석한 결과 테이퍼 영역의 길이는 10 mm가 적합한 것으로 나타났다. 하나의 입력 채널(channel)에 결합된 광선들이 폴리머 도파로 영역을 통과한 후 4개의 출력 채널로 손실 없이 균등하게 분배 되는 과정을 그림 2부터 알 수 있다.
제작된 소자는 기존의 유사한 아크릴 기반 POF 커플러[10] 보다 초과 손실이 1∼2 dB 개선됨을 보였다. 제안된 소자 제조 방법을 이용하면 필요에 따라 출력 채널의 갯수를 쉽게 바꿀 수 있다. 제안된 소자 제조 방법은 실리콘 고무를 주형으로 이용하기 때문에 반복적으로 활용할 수 있어 대량 생산에 적합할 것으로 기대된다.
9 dB 사이였다. 제작된 소자는 기존의 유사한 아크릴 기반 POF 커플러[10] 보다 초과 손실이 1∼2 dB 개선됨을 보였다. 제안된 소자 제조 방법을 이용하면 필요에 따라 출력 채널의 갯수를 쉽게 바꿀 수 있다.
이상적인 1×4형 POF 커플러의 각 채널당 삽입 손실은 6dB 이다. 제작된 소자는 실험결과 삽입 손실은 6.0∼9.5 dB으로 측정 되었고 초과 손실은 1.33∼2.45dB로 관측되었다. 평탄도는 1.

후속연구

제안된 소자 제조 방법을 이용하면 필요에 따라 출력 채널의 갯수를 쉽게 바꿀 수 있다. 제안된 소자 제조 방법은 실리콘 고무를 주형으로 이용하기 때문에 반복적으로 활용할 수 있어 대량 생산에 적합할 것으로 기대된다.
2 dB 사이였다. 제안된 제조 방법은 실리콘 고무 주형은 반복적으로 사용이 가능하기 때문에 기존의 방법에 비해 제작이 용이하여 대량의 플라스틱 광섬유 커플러 제조에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 고무주형는 어떠한 장점을 가지는가?	소자 제작을 위해 실리콘 고무 주형을 이용하였다. 실리콘 고무주형은 다른 물질과 접착되지 않는 성질이 있어 실리콘 주형에 채우는 폴리머 도파로 물질과 쉽게 분리되어 이 주형을 반복적으로 사용할 수 있는 장점을 가지게 된다. 폴리머 광도파로는 단면이 4각 구조이고 POF의 단면은 원형 구조이다.
	폴리머 도파로와 플라스틱 광섬유를 직접 접속하면 광이 누설되는 빈틈이 발생하는데, 이러한 광 손실을 줄이기 위하여 본 연구에서 무엇을 개발하였는가?	폴리머 도파로와 플라스틱 광섬유를 직접 접속하면 광이 누설되는 빈틈이 발생한다. 광 손실을 줄이기 위하여 플라스틱 광섬유의 단면 구조를 원형에서 사각 구조로 서서히 변형하는 기법을 개발하였다. 실험 결과 제안된 소자는 기본의 POF 커플러[8]보다 삽입손실이 1dB 이상 개선됨을 보였다.
	광섬유 커플러는 어떻게 이용되는 소자인가?	플라스틱 광섬유(POF : plastic optical fiber)는 광전송 매체로 홈 네트워크, 자동차 광 네트워크, 광학 감지 시스템과 같은 단거리 데이터 통신에 사용되고 있다. 광섬유 커플러는 광 파워를 분배하거나 파장이 다른 광신호를 분할하는 목적으로 이용되는 소자이다[1,2]. 특히 자동차내 통신 용량의 증가로 광 네트워크 구조가 링버스 구조에서 성형 구조로 바뀌고 있는 추세여서 POF 커플러 수요는 크게 증가 할 것으로 사료된다[3].

참고문헌 (12)

문용선, 노상현, 조광훈, 배영철," WDM 방식의 양방향 광 이더캣 통신 모듈 규현," 한국전자통신학회논문지, 7권, 2호, pp. 409-415, 2012.

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석재혁, 김응수, "광 네트워크 용 Spot-Size Converter 설계 최적화 설계", 한국전자통신학회논문지, 7권, 3호, pp. 573-578, 2012.

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T. Kibler, S. Poferl, G. Bock, H.-P. Huber, and E. Zeeb, "Optical Data Buses for Automotive Applications", J. of Lightwave Technology, Vol. 22, No.9, pp. 2184-2199, 2004.

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D-G Kim, S. Y. Woo, D.-K. Kim, S.-H. Park, J.-T. Hwang, "Fabrication and characteristics of plastic optical Fiber directional couplers" J. of the Optical Society Korea, Vol. 9. No. 3, pp. 99-102, 2005.

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K. T. Kim, D. G. Kim, W. K. Hyun, K. B. Hong, K. G. Im, S. J. Baik, D. K. Kim, and H. Y. Hyun, "Side-Coupled Asymmetric Plastic Optical Fiber Coupler for Optical Sensor Systems", Journal of the Optical Society of Korea, Vol. 12. No. 4, pp. 255-261. 2008.

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Y. Takezawa, S. Akasaka, S. Ohara, T. Ishibashi, H. Asano, and N. Taketani, 1994, "Low excess losses in a Y-branching plastic optical waveguide formed through injection molding", Appl. Opt., Vol. 33, No 12. pp. 2307-2312, 1994.

상세보기
Y. Jeong, S. Bae, and K. Oh "All fiber N x N fused tapered plastic optical fiber (POF) power splitters for photodynamic therapy applications", Current Applied Physics, Vol. 9, No 4, pp. 273-275, 2009.

상세보기
High performance plastic optical fiber coupler based on fusing method" IEEE Photoinc Tech. Lett. Vol, 23, No, 24, pp. 1848-1850, 2011.

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C. Yang, X. Sun, Y. Wang, M. Zhang, D. Ding, 2001, "1x7 plastic optical fiber coupler using cylindrical mixing rod", Proceedings of SPIE, Vol. 4603, pp. 183-187, 2001.
A. A. Ehsan, S. Shaari, and M. Kamil , A. Rahman, "Low cost 1x2 Acrylic-based plastic optical fiber coupler with hollow taper waveguide," PIERS, Vol. 2, pp. 129-132, 2009.
C. Yang, X. Sun, Y. Wang, M. Zhang, D. Ding, 2001, "1x7 plastic optical fiber coupler using cylindrical mixing rod", Proceedings of SPIE, Vol. 4603, pp. 183-187, 2001.
A. A. Ehsan, S. Shaari, and M. Kamil , A. Rahman, "Low cost 1x2 Acrylic-based plastic optical fiber coupler with hollow taper waveguide," PIERS, Vo1. 2, pp. 129-132, 2009.

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