차세대 광통신용 특수 광섬유 소자...

물리학과 첨단기술 June 2007 76

차세 통신용 특수 섬유 소자 기술

유 안․신우진․엄태 ․김소은․김복

저자약력

유봉안 박사는 서울대학교 전기공학부 공학박사(2003)로서 현재 광주

과학기술원 고등광기술연구소 광정보통신연구실 선임연구원으로 재직

중이다. ([email protected])

신우진 박사는 광주과학기술원 정보통신공학과 공학박사(2005)로서

현재 광주과학기술원 고등광기술연구소 광정보통신연구실 선임연구원으

로 재직 중이다. ([email protected])

엄태중 박사 약력은 65쪽 참조.

김소은 박사는 광주과학기술원 정보통신공학과 공학박사(2006)로서

현재 광주과학기술원 고등광기술연구소 나노광학연구실 선임연구원으로

재직 중이다. ([email protected])

김복현 박사는 광주과학기술원 정보통신공학과 공학박사(2006)로서

현재 광주과학기술원 고등광기술연구소 광정보통신연구실 선임연구원으

로 재직 중이다. ([email protected])

머리말

인류는 역사 으로 화, 등 , 반사 거울 등을 이용하여

빛을 통신 수단으로 사용하 다. 이러한 자유공간에서의 통

신 방식은 이 원의 발명으로 인해 에서도 꾸 히

연구되고 있으나 빛의 기 특성상 비교 단거리에서

만 이용되고 있다. 한편 1870년에 John Tyndall은 떨어지는

물 기 안에서 빛이 빠져나가지 않고 물의 흐름에 따라 진행

할 수 있다는 것을 보 다. 이는 빛이 자유공간이 아닌 도

로를 통해서도 될 수 있다는 것으로, 섬유 개발의 시

발 이 되었다. 20세기에 이르러 유리로 만든 섬유가 발표

되었지만, 기에는 유리에서의 불순물로 인한 손실이

1000 dB/km 정도로 매우 커서 짧은 거리에 한해서 상

송 용도로 사용되었다. 1970년 에 이르러 Bell 연구소에서

MCVD(modified chemical vapor deposition) 방법을 이용

한 고순도 실리카 섬유를 개발한 이후로 1970년 말에

1550 nm 장 역에서 최 0.2 dB/km까지 손실을

일 수 있게 되었다. 이에 힘입어 1980년 에 들어서면서

AT&T와 MCI 등의 통신 회사들이 섬유를 이용한 장거리

통신망을 설치하고 실용화함으로써 본격 인 통신 시 가

열리게 되었다.이와 같이 섬유는 주로 통신의 손실 통신매체 용도

로서 발달되어 왔으나, 더불어 섬유를 단순한 빛의 도 로

역할 뿐만 아니라 커 러, 필터 등 통신용 소자, 비선

형 학 소자, 이 의 이득매질, 센서 소자 등으로 응용

하고자 하는 연구가 세계 으로 꾸 히 계속되어 왔다. 국내에서의 섬유 연구 개발은 1978년 KIST에서 섬유

개발을 시작한 이후, 재에는 통신용 이블을 한

선, LS 선 등에서 독자 으로 생산하고 있으며, 섬유 제조

시스템을 자체 으로 가지고 있는 주과학기술원과 KIST를

심으로 서울 , KAIST 등에서 섬유 격자, 섬유 증폭기

섬유 이 , 섬유 커 러 등 섬유 응용 연구를 진

행하여 왔다. 고등 기술연구소에서는 지난 몇년간 독자 으로 이 를

이용한 섬유 가공 시스템을 개발하여 섬유 장주기 격자

필터, 섬유 단면격자, 나선형 섬유 소자 등을 제작, 발표

하 으며, 최근 각 을 받고 있는 결정 섬유(PCF)의 통

신 소자, 테라헤르츠 역의 소자로서의 응용을 한 설계연

구를 수행하고 있다. 한, 차세 WDM 통신 네트워크용

다 장 섬유 이 를 비롯하여 비선형 학 재료 가공

등 다양한 응용을 한 고출력 이 클래드 섬유 이 와

펄스형 섬유 이 에 한 연구개발을 진행 에 있다. 본고에서는 차세 통신 응용을 한 특수 섬유 소자 기술

과 련하여 재 고등 기술연구소에서 수행하고 있는 연구

내용을 심으로 소개하고자 한다.

CO2 이 를 이용한 섬유 소자 제작과 응용

섬유 소자는 기본 으로 섬유 그 자체를 기반으로 하

는 소자이기 때문에 섬유가 가지는 기본 인 물리 인

특성을 그 로 가지게 된다. 섬유 소자는 다른 소자에 비

해 우선 매우 낮은 삽입 손실을 가지며 주 온도변화에

해 향을 거의 받지 않는 특성을 가진다. 한 고출력 신

호에 하여 용이 가능하며 다른 소자나 시스템과의

속이 매우 용이하다. 이는 다른 소자에 해 섬유 소자만

이 가지는 고유한 특징이다. 섬유 커 러, 즈형 섬유, 그리고 섬유 격자 등이


CO2 laser CO2 laser

Laser diodeLaser diode650nm650nm

CCDCCD

Beam combinerBeam combinerAttenuatorAttenuatorShutterShutter

MirrorMirror

MirrorMirrorMirrorMirror

Focusing lensFocusing lens

Beam splitterBeam splitter PowermeterPowermeter

Optical fiberOptical fiberRotational fiber holderRotational fiber holder

Translation stageTranslation stage

CO2 laser CO2 laser


CCDCCD


MirrorMirror






CO2 laser CO2 laser


CCDCCD


MirrorMirror






그림 1. CO2 레이저를 이용한 기능성 광섬유 소자 제작 시스템.

그림 2. 레이저에 의해 가공된 광섬유 단면 사진.

표 인 섬유 기반의 소자라고 할 수 있다. 섬유 커 러

의 경우 가입자망의 도입에 따른 경제성 있는 결합

분기 소자의 수요증가에 따라 새로운 도약의 기회를 가지고

있으며 섬유 이 제작에 사용되는 섬유 커 러형 펌

결합기의 우수한 특성과 경제성이 입증됨으로써 이에

한 활발한 연구가 진행 이다. 즈형 섬유의 경우 이

다이오드와 검출기의 입력 는 출력을 섬유와 연결하기

한 용도로 리 사용되고 있다. 이러한 즈형 섬유를 제

작하기 해 섬유 단면을 원하는 즈 곡면으로 연마하거

나 폴리머를 사용하여 즈를 성형하는 방법이 사용되고 있

다. 하지만 연마를 이용하는 방법은 요구되는 특성을 가지는

즈형 섬유 제작의 수율이 낮고 폴리머를 이용하는 경우

고출력 소자에는 사용할 수 없다는 단 을 가지고 있다. 섬

유 격자의 경우 섬유 센서와 역 차단 필터 등 다양한 형

태의 소자로 사용되고 있다. 섬유 격자 에서 장주기 섬

유 격자의 경우 UV 이 를 주기 인 굴 률 변화를 유도

하여 제작하는 고 방법 이외에 기 아크를 이용한 외형

변형, 물리 인 스트 스를 이용하는 방법 등 다양한 방법

이 연구되고 있다.

고등 기술연구소에서는 이 를 이용한 섬유 소자 정

가공기술을 연구하고 있는데, 이 기술은 기존의 용융형

섬유 커 러나 섬유 격자 소자를 제작하기 해 사용되던

가스 열원을 CO2 이 로 체함에 따라 기존의 방법에서

문제되었던 수분에 의한 오염과 손실을 효과 으로 일 수

있을 뿐만 아니라 우수한 학 특성과 소자의 소형화를

가능하게 한다. 한 이 를 사용함으로써 제조 시설의 원

가 감도 가능하며 폭발성 가스를 이용하지 않기 때문에 안

정성 생산성 증 도 가능한 기술이다. 그림 1에 기능성

섬유 소자 제작을 한 CO2 이 가공장비의 사진과 구성

도를 나타내었다.이 시스템은 기능성 섬유 소자를 직 제작하고 연구를

수행하기 해 고등 기술연구소에서 자체 으로 개발한 장

비이다. 이 가공장비는 최 50 W의 출력이 가능한 고반복

CO2 이 와 자동화된 15축의 치 각도 제어 시스템으


(a)

(b)ΛΛ

Helicoidal LPFG

ΛΛ

Helicoidal LPFG

그림 3. (a) 나선형 광섬유 장주기 격자의 구조도, (b) 제작된 나선형

광섬유 장주기 격자.

(a)

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650-30

-27

-24

-21

-18

-15

-12

-9

-6

-3

0

0

2

4

6

8

10

PDL

[dB

]

Tra

nsm

issi

on [d

B]

Wavelength [nm](b)

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0 579111315117119121123125127129131133135137139141143145147149151153155157159161163165167169171173175177179181183185187189191193195197199201203205207209211213215217219221223225227229231233235237239241243245247249251253255257259261263265267269271273275277279281283285287289291293295297299301303305307309311313315317

319321323325

327329331333335337339341343345347349351353355357359361363365367369371373375377379381383385387389391393395397399401403405407409411413415417419421423425427429431433435437439441443445447449451453455457459461463465467469471473475477479481483485487489491493495497499501503505507509511513515517519521523525527529531533535537539541543545547549551553555557559561563565567569571573575577579581583585587589591593595597599601603605607609611613615617619621623625627629631633635637639641643645647649651653655657659661

663665667669671673675677679681683685687689691693695697699701703705707709711713715717719721723725727729731733735737739741743745747749751753755757759761763765767769771773775777779781783785787789791793795797799801803805807809811813815817819821823825827

829831833835837839841843845847849851853855857859861863865

8678698718738758778798818838858878898918938958978999019039059079099119139159179199219239259279299319339359379399419439459479499519539559579599619639659679699719739759779799819839859879899919939959979910

ACEGDIDKDMDODQDSDUDWDYEAECEEEGEIEKEMEOEQESEUEWEYFAFCFEFGFIFKFMFOFQFSFUFWFYGAGCGEGGGIGKGMGOGQGSGUGWGYHAHCHEHGHIHKHMHOHQHSHUHWHYIAICIEIGIIIKIMIOIQISIUIWIYJAJCJEJGJIJKJMJOJQJSJUJWJYKAKCKEKGKIKKKMKOKQKSKUKWKYLALCLELGLI

LKLMLOLQLSLULWLYMAMCMEMGMIMKMMMOMQMSMUMWMYNANCNENGNINKNMNONQNSNUNWNYOAOCOEOGOIOKOMOOOQOSOUOWOYPAPCPEPGPIPKPMPOPQPSPUPWPYQAQCQEQGQIQKQMQOQQQSQUQWQYRARCRERGRIRKRMRORQRSRURWRYSASCSESGSISKSMSOSQSSSUSWSYTATCTETGTITKTMTOTQTSTUTWTYUAUCUEUGUIUKUMUOUQUSUUUWUYVAVCVEVGVIVKVMVOVQVSVUVWVYWAWCWEWGWIWKWMWOWQWS

WUWWWYXAXCXEXGXIXKXMXOXQXSXUXWXYYAYCYEYGYIYKYMYOYQ

YSYUYWYYZAZCZEZGZIZKZMZOZQZSZUZWZYAAAAACAAEAAGAAIAAKAAMAAOAAQAASAAUAAWAAYABAABCABEABGABIABKABMABOABQABSABUABWABYACAACCACEACGACIACKACMACOACQACSACUACWACYADAADCADEADGADIADKADMADOADQADSADUADWADYAEAAECAEEAEGAEIAEKAEMAEOAEQAESAEUAEW

AEYAFAAFCAFEAFGAFIAFKAFMAFOAFQAFSAFUAFWAFYAGAAGCAGEAGGAGIAGK

AGMAGOAGQAGSAGUAGWAGYAHAAHCAHEAHGAHIAHKAHMAHOAHQAHSAHUAHWAHYAIAAICAIEAIGAIIAIKAIMAIOAIQAISAIUAIWAIYAJAAJCAJEAJGAJIAJKAJMAJOAJQAJSAJUAJWAJYAKAAKCAKEAKGAKIAKKAKMAKOAKQAKSAKUAKWAKYALAALCALEALGALALAL

cegdidkdmdodqdsdudwdyeaeceeegeiekemeoeqeseueweyfafcfefgfifkfmfofqfsfufwfygagcgegggigkgmgogqgsgugwgyhahchehghihkhmhohqhshuhwhyiaicieigiiikimioiqisiuiwiyjajcjejgjijkjmjojqjsjujwjykakckekgkikkkmkokqkskukwkylalclelg

lilklmlolqlslulwlymamcmemgmimkmmmomqmsmumwmynancnengninknmnonqnsnunwnyoaocoeogoiokomoooqosouowoypapcpepgpipkpmpopqpspupwpyqaqcqeqgqiqkqmqoqqqsquqwqyrarcrergrirkrmrorqrsrurwrysascsesgsisksmsosqsssuswsytatctetgtitktmtotqtstutwtyuaucueuguiukumuouqusuuuwuyvavcvevgvivkvmvovqvsvuvwvywawcwewgwiwkwmwowqwswuwwwyxa

xcxexgxixkxmxoxqxsxuxwxyyaycyeygyiykymyoyqysyuyw

yyzazczezgzizkzmzozqzszuzwzyaaaaacaaeaagaaiaakaamaaoaaqaasaauaawaayabaabcabeabgabiabkabmaboabqabsabuabwabyacaaccaceacgaciackacmacoacqacsacuacwacyadaadcadeadgadiadkadmadoadqadsaduadwadyaeaaecaeeaegaeiaekaemaeoaeqaesaeu

aewaeyafaafcafeafgafiafkafmafoafqafsafuafwafyagaagcageaggagiagkagm

agoagqagsaguagwagyahaahcaheahgahiahkahmahoahqahsahuahwahyaiaaicaieaigaiiaikaimaioaiqaisaiuaiwaiyajaajcajeajgajiajkajmajoajqajsajuajwajyakaakcakeakgakiakkakmakoakqaksakuakwakyalaalcalealgalialkalm

Tra

nsm

issi

on [d

B]

Wavelength [nm]

+520 +480 +440 +400 +360 +320 +280 +240 +200 +160 +120 + 80 + 40 + 20 0

1 - 40A - 80a - 120

- 160 - 200 - 240 - 280 - 320 - 360 - 400 - 440 - 480

(c)

-400 -200 0 200 4001300

1350

1400

1450

1500

1550

1600 λ=1586.45 - 0.024θ

λ=1490.78 - 0.051θ

Wav

elen

gth

[nm

]

Rotation angle [degree]

1st 2nd 3rdλ=1332.85 - 0.046θ

그림 4. (a) 나선형 장주기 광섬유 격자 투과 특성, (b) 회전방향 비틀

림에 따른 나선형 장주기 광섬유 격자의 투과 응답 특성, (c) 비틀림 각

도에 따른 공진 파장의 천이 특성.

참고문헌

[1] V. I. Kopp, et al., Science 305, 74 (2004).

[2] C. Jáuregui, et al., Opt. Lett. 30, 14 (2005).

[3] S. Oh, et al., Opt. Lett. 29, 1464 (2004).

[4] O. V. Ivanov, Opt. Lett. 30, 3290 (2005).

로 구성되어 있는데 최소 1 µm의 치 정 도와 0.008도의

각도 제어가 가능하다.이 자동화된 섬유 소자 제작 시스템을 이용하여 다양한

형태의 섬유 단면가공을 할 수 있는데, 그림 2에서 먼 제

작된 볼 즈형 섬유와 임의의 각도로 단된 섬유 끝단

을 보여주고 있다. 이 게 단면가공된 섬유 소자들은 섬

유 기반의 신호 상호 연결 구 에 우선 으로 용될 수

있다. 한, 이 시스템은 이러한 섬유 단면가공 뿐만 아니

라 섬유의 외형 변형을 유도함으로써 아래에서 설명하고

자 하는 특수한 장주기 섬유 격자, 섬유 커 러 등을 제

작하는 데 사용될 수 있다.

1. 나선형 섬유 장주기 격자 소자

장주기 섬유 격자를 제작하기 해 재 보편화된 방법

은 UV 이 원을 이용하여 섬유 코어의 굴 률 변화

를 유도하는 방법이다. 최근 들어 CO2 이 를 이용하여

섬유에 주기 인 국부가열 는 테이퍼링 등을 통하여 굴

율 변화를 유도하여 장주기 격자를 제작하는 방법이 사용되

었으며, 나선형의 CO2 이 빔의 조사나,[1] 주기 인 꼬임

을 이용하여 장주기 섬유 격자를 제작하는 등[2,3] 새로운 제

작 방법들이 제안되고 있다.한편 나선형 형태의 장주기 섬유 격자는 매우 낮은 편

의존 손실을 갖는다는 사실이 보고되었으며 나선형 구조의

특성상 정방향 는 역방향의 비틀림에 해 각각 단 장이

나 장 장 방향으로 공진 장이 이동하는 특유한 특성을 가

지고 있어 많은 주목을 받게 되었다. 이 격자를 제작하기

해 소형 오 을 이용한 방법이 최근 제시되었으나,[4] 이 방

법은 격자 제조시에 공진 장의 치와 변조의 깊이 등의

장주기 격자의 특성을 직 확인하거나 제어할 수가 없으며

제작 방법의 특성상 제작에 상당히 긴 시간이 요구된다. 하지

만 이러한 문제 들은 CO2 이 를 이용하여 효과 으로 해

결할 수 있다.


참고문헌

[5] P. M. Hagelin, et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 12, 882 (2000).

[6] J. E. Fouquet, OFC Technical Digest, 204 (2000).

[7] M. B. J. Diemeer, et al., Electon. Lett. 24, 457 (1988).

[8] M. E. De Rosa, et al., OFC Technical Digest, Tul5 (2001).

그림 5. MOW-MAP 원리.

(a)

(b)

그림 6. MOW-MAP 구조의 광대역 신호 교환기와 파장선택형 스위치.

그림 3에서 보는 바와 같이 일반 인 장주기 섬유 격자

와 나선형 장주기 섬유 격자의 차이 은 나사선과 같은 나

선구조의 굴 율 변조라고 할 수 있다. 제안된 나선구조의 장

주기 섬유 격자의 특성은 나선형태의 구조변화에 의한

섬유의 코어와 클래딩의 심 불일치에 의해 발생하는 주기

굴 율 변화의 유도이다. 즉, 단일 모드 섬유가 일정한

주기로 꼬여질 때 섬유 코어는 나선형태의 섬유의 꼬임

에 따라 꼬여지며 이러한 구조는 섬유내부에 유효한 주기

굴 율 변화를 유도하게 된다. 이러한 나선형 장주기 섬

유 격자를 제작하기 해 약 300 µm로 집약된 CO2 이

빔을 섬유에 조사하면서 섬유를 일정한 속도로 이동시킴

과 동시에 섬유 양단을 각기 다른 방향으로 일정한 속도로

회 시킨다. 이때 이동하는 속도와 회 속도의 크기에 따라

나선의 주기가 결정된다.안정화된 백색 원을 이용하여 측정된 나선형구조의 장주

기 섬유 격자의 투과특성과 정방향 는 역방향의 비틀림

에 한 투과특성 변화를 그림 4에 나타내었다. 이러한 민감

한 장 이동 특성은 일반 인 장주기 섬유 격자에서는 볼

수 없는 나선형 장주기 격자만의 고유한 특성으로 통신용

필터나 센서 등 다양한 분야에 용될 수 있을 것으로 상

된다.

2. 섬유 커 러 기반의 응용소자

최근 들어 통신망의 속한 발 에 따라 장거리 통신

망에서 주로 사용되던 장다 (Dense Wavelength Division Multiplexing(DWDM)) 통신 기술이 경제성과 유연한 재구성

기능이 요구되는 가입자 망으로 속히 도입되고 있다. 스

치, 라우터 그리고 가변 감쇄기 등은 가입자망에서 자유

로운 재구성 기능과 안정 인 서비스를 제공하기 한 주요한

소자이다.[5] 이러한 통신 환경의 변화와 시스템 요구에 의해

집 성과 폭넓은 응용성을 가지는 Micro-Electro-Mechanical System(MEMS) 기술을 이용한 다양한 소자가 개발되고 있

다. 그러나 재의 MEMS 기술은 공간상에서 미세 학구조

를 이용하여 빛의 도 경로를 변화시키는 기본구조를 이용

하기 때문에 장의 선택성이나 결합, 분기 등의 기능을 해

서는 Array Waveguide Grating(AWG)과 같은 부가 인

소자가 요구된다. 따라서 스 칭 기능과 장 다 는 분기

의 복합 기능을 가지는 재구성형 단일 소자의 개발이 요

구되고 있다.[6-8] 한 펌 원 신호 원의 세기를 조정하

기 한 다양한 구조의 가변 감쇄기가 개발되었다. 하지만

부분의 가변 감쇄기의 경우 소자의 구조와 구성 재료

의 특성에 의해 고출력 원에 한 입력 한계가 있거나 이

에 한 최 화가 필요하다. 따라서 고출력 원에 한 큰

감쇄특성을 가지고 낮은 삽입손실과 빠른 응답속도를 가지는

가변 감쇄기에 한 연구가 필요하다.이러한 문제 들은 기 제어가 가능한 기계 랫폼

(Micro Actuating Platform(MAP))과 미세 테이퍼(Micro Optical Waveguide(MOW)) 기술을 이용하여 능동 으로 연결 구조

의 재구성이 가능한 MOW-MAP소자로 해결이 가능하다. 그림 5는 제안된 MOW-MAP 소자의 동작원리를 나타내고 있

다. 기계 인 인장 는 회 에 의해 발생된 스트 스가 구


그림 8. 광결정 광섬유의 단면 사진.

참고문헌

[9] W. Shin, et al., Opt. Express 12, 4378 (2004).

[10] W. Shin, et al., Opt. Express 12, 1818 (2004).

[11] J. C. Knight, et al., Opt. Lett. 21, 1547 (1996).

[12] T. A. Birks, et al., Opt. Lett. 22, 961 (1997).

[13] D. Mogilevtsev, et al., Opt. Lett. 23, 1662 (1998).

[14] A. Ortigosa-Blanch, et al., Opt. Lett. 25, 1325 (2000).

[15] N. G. R. Broderick, et al., Opt. Lett. 24, 1395 (1999).

[16] J. C. Knight, et al., Science 282, 1476 (1998).

[17] Soan Kim, et al., Opt. Lett. 31, 164 (2006).

Input signal

Output signal

Monitoringsignal

Input signal

Output signal

Monitoringsignal

Input port Output port

Monitoringport

그림 7. MOW-MAP 구조의 가변광 감쇄기.

조 으로 테이퍼의 간 역에 집 됨으로써 커 링 역에

서 입력된 원에 한 두 도 로간의 결합 특성을 조 하고

이를 이용하여 다양한 장 선택성 출력 가변형 소자를

제작할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 섬유 커 러의

커 링 역에 기 으로 기계 인장이나 회 의 효과 인

제어를 통하여 커 링 효율을 조 하는 기계 랫폼을 제

작하고 다시 이를 이용하여 새로운 개념의 역 신호 교

환기(Optical Interband Router)를 제작하 고(그림 6(a))[9] 4채 장결합기와 MOW-MAP 기술을 목하여 Coarse Wavelength Division Multiplexing(CWDM)용 장 선택성

을 가지는 스 치(그림 6(b))[10] 고출력 Raman 증폭기

의 이득 크기를 조 하거나 이득 역의 크기조 을 한 다

채 고출력 펌 원을 한 감쇄기(그림 7)를 구 하

다.언 된 테이퍼 소자 연구와 MOW-MAP 구조를 이용한

섬유 커 러의 커 링 효율 변화 기술은 장 원세기의

재구성이 가능한 테이퍼 소자 개발과 이에 한 다양한 응용

가능성을 보여주고 있다. 한, 제작된 MOW-MAP 구조의 소

자들은 낮은 삽입손실과 높은 장차단 특성 등 뛰어난 학

특성을 가지며 고출력 원에 사용이 가능하기 때문에

통신 시스템에서 폭넓은 사용이 기 된다.

결정 섬유의 응용

최근 계단형 섬유의 한계를 극복하기 한 노력의 일환

으로 결정 섬유(photonic crystal fiber, PCF)라 불리는

특수 섬유에 한 연구활동이 세계 으로 활발하게 이루어

져 오고 있다. 1996년 Phillip St. J. Russell에 의해 처음

제작된 PCF는 순수한 실리카로 이루어진 코어와 작은 공기

구멍의 주기 인 배열을 클래딩 구조로 가지고 있다.(그림

8)[11] 이러한 구조는 다양한 응용분야에 따라 공기구멍의 크

기와 공기구멍 사이의 간격을 조 함으로 넓은 장 역에서

의 단일모드 송,[12] 특이한 분산 특성,[13] 고 비선형성[14]

는 코어와 클래딩의 큰 굴 률 차이에 의한 높은 복굴 률[15]

등 계단형 섬유에서 발견하지 못했던 독특한 특성을 보여

다. PCF는 코어의 구성에 따라 두 가지 종류의 섬유로

구분되는데 순수 실리카 코어를 가지고 반사에 의해 빛이

되는 높은 굴 률 코어 PCF[11]와 이와 반 로 코어 부분

이 클래딩의 공기구멍보다 더 큰 공기구멍으로 이루어져

밴드 갭(photonic bandgap)에 의해서 빛이 되는 낮은

굴 률 코어 PCF, 는 photonic bandgap fiber(PBGF)[16]

가 있다. PBGF는 코어 부분의 공기 역에서 빛을 송함으

로 낮은 손실을 갖는 섬유로 각 받고 있다.한 PCF는 기존의 섬유들과 함께 사용되어 소자에

응용될 수 있다. 이러한 경우에 PCF와 기존의 섬유 두 끝

을 융착 속하여 연결하는 방법을 사용하는데, 이 때 높은

열을 가해서 융착할 경우 PCF의 공기구멍들이 일부 막히게

되므로 높은 연결 손실을 가져올 수 있다. 이러한 문제를 해

결하고 PCF를 기존의 섬유와 함께 소자에 효과 으로

응용하기 해서 코어에 높은 굴 률을 갖는 불순물을 첨가

하여 열에 의해 공기구멍이 막히게 된 경우에도 코어와 클래

딩의 구조를 유지함으로 연결 손실 없이 속할 수 있는 방


그림 10. (상) 준격자구조를 기반으로 한 분산 보상 광결정 광섬유와

(하) 1550 nm에서 높은 음의 분산 값을 갖는 색분산 특성.

그림 9. (상) 삼각형 격자구조를 기반으로 한 분산보상 광결정 광섬유

단면도와 (하) 1550 nm에서 높은 음의 분산 값을 나타내는 색 분산 특

성.

참고문헌

[18] Kunimasa Saitoh, et al., Opt. Express 13, 8365 (2005).

[19] Takashi Matsui, et al., J. of Lightwave Technol. 25, 757 (2007).

[20] H. Han, et al., Appl. Phys. Lett. 15, 2634 (2002).

법들을 사용하고 있다.[17] 고등 기술연구소에서는 PCF와 기

존의 섬유로의 연결문제를 효과 으로 해결하고 한 정확

한 설계과정을 거쳐서 통신용 소자, 테라헤르츠 역의 소

자로 이용하기 한 연구가 진행 이다.특이한 분산특성을 나타내는 PCF는 통신용 소자로 응용

될 수 있다. 공기구멍의 크기와 공기구멍 사이의 거리의 비율

는 다양한 크기의 공기구멍을 이용하여 편평한 분산 값을

갖는 PCF(Dispersion Flattened PCF, DF-PCF)외에도 기존

의 단일 모드 섬유의 된 분산 값을 보상하기 한 분

산 보상 PCF(Dispersion Compensation PCF, DC-PCF)로의 연구도 활발히 이루어져 오고 있다. DF-PCF는 통신시장

에 시 되고 있는 편평한 분산 값을 갖는 섬유(Dipersion Flattened Fiber, DFF)의 통신용 장 역에서의 분산 값의

차수인 100보다 2차 낮은 10-2

를 가짐으로 보다 효율 으로

통신용 장 역에 걸쳐서 거의 0에 가까운 편평한 분산

값(Nearly zero ultra-flattened dispersion)을 갖는 섬유

로 최근 들어 다양한 구조의 DF-PCF가 연구되고 있다.[18] DC-PCF의 경우에는 짧은 길이의 PCF를 이용하여 효과 으

로 단일모드 섬유의 된 분산 값을 보상할 수 있는

섬유로 최근 각 받고 있다.[19] 고등 기술연구소에서는 기존

의 삼각형 격자구조를 가지고 있는 PCF 구조를 변형하여 높

은 음의 분산 값을 가지는 DC-PCF를 구 하기 한 설계 연

구가 이루어져 왔고 (그림 9 참조) 이를 기반으로 삼각형 격

자 구조 외에도 격자 구조를 이용한 DC-PCF에 한 연구

가 진행 (그림 10 참조)이다.PCF는 통신 역 뿐만 아니라 테라헤르츠(THz) 역

(0.1 ~ 10 THz)에서도 응용이 가능하다. 최근 들어 테라헤르

츠 원에 한 연구가 활발하게 이루어져 오고 있고 이러한

원개발에 한 연구에 발맞추어 THz용 소자의 하나로 PCF와 같은 도 로는 요한 소자 의 하나로 응용될 수 있다. 일반 으로 THz용 섬유는 THz 역에서 손실이 큰 실리카

신에 손실이 작은 라스틱을 이용하여 PCF를 제작하고

있다.[20] 물질이 가지는 손실 외에도 THz PCF에서 모드간의

결합 손실을 이기 해 단일 모드 송이 가능한 PCF가

요구되고 있다. 고등 기술연구소에서는 PCF 구조에 한 정

확한 설계를 거쳐서 단일 모드 송 조건을 찾은 후에 최


참고문헌

[21] J. Nilson, et al., OFC Technical Digest, 685 (2003).

[22] B.-A. Yu, et al., Electron. Lett. 42, 742 (2006).

polarization controller

port 2 port 3

circulatorport 1

diffractiongrating

lens

digital micromirrors

variablecoupler


isolator

SOA

EDFA

PC

opticalspectrumanalyzer

collimator

600 gr/mm

f=51 cmpolarization controller

port 2 port 3

circulatorport 1

diffractiongrating

lens

digital micromirrors

variablecoupler


isolator

SOA

EDFA

PC

opticalspectrumanalyzer

collimator

600 gr/mm

f=51 cm

그림 11. 파장가변형 다파장 광섬유 레이저 구성도.

(a) (b)

(c) (d)

그림 12. 파장 가변형 다파장 광섬유 레이저의 출력 광 스펙트럼 (a) 파장

간격이 0.8 nm인 12채널 발진 (점선: 채널간 파워 분포 균일화 전, 실선:

채널간 파워 분포 균일화 후), (b) 다채널 dropping (4채널), (c) 다채널 스

위칭 (6채널), (d) 파장 간격 스위칭.

화된 THz PCF를 제작하기 한 연구가 진행되고 있다. THz PCF의 궁극 인 목표는 공기로 이루어진 코어를 이용하여

최 의 손실로 THz 빛을 시킬 수 있는 도 로의 개발에

있다. PBG를 이용하여 THz 빛을 시키는 THz PBGF를

개발하기 해서는 THz 주 수 역에서 가장 넓은 bandgap을 가질 수 있는 최 화된 구조를 찾는 설계과정이 필수 이

다. 정확한 설계를 거친 THz PBGF는 THz 역에서 손실이

은 라스틱을 이용하여 silica 섬유에 비해 보다 간단한

공정과정을 거쳐서 제작이 가능하다.

섬유 이 응용

최 의 섬유 이 는 1960년 기에 Elias Snitzer 등에 의해 개발되었는데, 1 µm 역에서 수 mW 정도의 출

력을 가지고 있었다. 이후 1980년 에 들어 펌핑 원으로

사용되는 반도체 이 다이오드와 이득 매질인 희토류 첨

가 섬유의 기술 인 발 과 더불어 섬유 이 는 차

그 응용 범 를 산업 반에 걸쳐 확장시키고 있다. 섬유

이 는 도 로를 갖는 그 구조 특성상 다른 고체 이

들에 비해 우수한 빔 특성, 높은 에 지 효율, 뛰어난 열 방

출 특성, 유지와 보수에 있어 비용 감 효과 등 많은 장 을

가지고 있어 통신, 재료가공, 의료 수술 진단, 원격측정, 디스 이 등 많은 분야에서 기존 이 들을 체하고 새

로운 시장을 형성하고 있다. 기존의 섬유 이 연구는

통신용 섬유 이 에 집 되어 왔으나, 클래딩 펌핑 기술

이 개발된 이후 산업용 이 시장에 진입하여 CO2 이 , Nd:YAG 이 등과 경쟁하면서 고출력 섬유 이 에

한 연구도 최근 들어 활발히 진행되고 있다.[21]

1. 장 가변형 다 장 섬유 이

최근 들어 WDM 통신 시스템, 센서 시스템, 부품 테

스트 분야 등에서 사용되는 다 장 원에 한 연구가 활발

히 진행되고 있다. 재까지 발표된 다 장 발생 방법으로는

단일 장 이 어 이, 역 원의 스펙트럼 분할 방식

등이 있다. 하지만, 어 이 방식은 경제성 측면에서, 스펙트럼

분할 방식은 신호 잡음비 측면에서 문제 을 안고 있어, 하나의 이 공진기에 다채 필터를 삽입하여 다 장을

발생시키는 방식이 주목을 받고 있다.고등 기술연구소에서는 표 인 MEMS(Micro-Electro-

Mechanical System) 소자인 DMD(Digital Micromirror Device)를 다채 필터로 이용하여 새로운 방식의 다 장 어 -첨가

섬유(Erbium-Doped Fiber, EDF) 이 를 구 하 다(그림 11).[22] 이때 섬유 이 의 발진 장들과 그 장 간

격은 DMD 내의 반사 패턴을 기 으로 제어함으로써 손쉽

게 변화시킬 수 있었는데(그림 12), 이는 기존의 Fabry-Perot과

같은 상용 다채 필터를 사용하는 방식과 달리 다 장 이

의 발진 장들을 임의 로 조정할 수 있음을 의미한다. 한, 이 섬유 이 는 하나의 장에 해서만 발진시킨 다


(a)

(b)

그림 13. (a) 5 W급 CW 광섬유 레이저 시스템과 (b) 그 내부 구성.

음 마찬가지 방식으로 DMD를 제어함으로써 장 가변형

이 로 사용할 수 있으며, 마이크로미러들을 스 칭하여 발진

장에서의 손실을 변조하는 방식으로 Q-스 칭 펄스 이

로 동작시킬 수 있다.

2. 이 marking용 이 클래드 섬유 이

산업용 이 응용에서 가장 큰 부분을 차지하는 반도체

산업용 이 marking 시스템(2005년 기 32%, 출처: Industrial Laser Solution Jan. 2006)의 경우, 재 이

원으로는 부분 CO2 이 와 Nd:YAG 이 를 사용하

고 있지만, 유지 보수의 편리함과 운 의 경제성이 우수한

섬유 이 로 체하기 한 연구가 활발히 수행되고 있

다. 이는 섬유 이 의 핵심 구성 요소인 섬유와 펌핑

용 이 다이오드(LD)의 제작 단가가 최근까지 이어진

통신 시스템의 속한 성장으로 인하여 지속 으로 하락하

여 타 고출력 이 와 가격 경쟁력을 가지게 되었기 때문

이다.통신용 섬유 이 와는 달리 이 marking용 섬유

이 는 수~수십 W 정도의 고출력을 요구하므로, 보통 이

클래드 구조를 갖는 섬유를 사용한다. 즉, 섬유의 클래드

바깥에 다른 클래드 층이 있는 이 클래드(double-clad) 섬유를 만들어 코어 신에 내부 클래드에 높은 세기의 펌

핑 을 조사하는 방법을 사용하고 있다. 이 방법에서는 펌핑

이 내부 클래드를 진행하면서 코어와 만나게 되면, 코어에

있는 증폭 매질에 의한 흡수가 일어나서 코어를 지나가는

신호 이 증폭되고 발진을 하게 된다. 그 결과, 휘도의

이 다이오드를 펌 으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라

섬유 이 출력으로 고휘도, 회 한계 도달된 빔을 발생시

킬 수 있다.고등 기술연구소에서는 우선 이터 첨가 이 클래드

섬유와 915 nm 펌 이 다이오드를 이용하여 1 µm 역에서 5 W CW 섬유 이 시스템을 구 하 다(그림

13). 이 시스템은 펌핑 이 섬유 결합에 의한 side-pumping 방식으로 공진기에 입사되었고, 이 공진기를 구성하는 두

개의 반사거울은 반사 장이 동일한 섬유 래그 격자

(FBG)로 형성하여 체 섬유 이 공진기가 벌크 학계

없이 섬유로만 연결된 섬유(all-fiber) 구조로 이루어졌

다. 이로 인해 섬유 이 는 출력 변화가 0.1 % 이하로

매우 안정 이었다. 보다 높은 순간 워를 필요로 하는 이

marking 시스템을 구 하기 하여 섬유 이 의 Q-스 칭을 통한 펄스 동작에 한 연구를 진행 에 있는데, 이때 Q-스 치 역시 섬유 소자로 구성하여 섬유 공진

기 구조를 유지할 정이다.

맺음말

이상 고등 기술연구소에서 연구개발하고 있는 특수 섬

유 소자 기술에 하여 통신 응용을 심으로 살펴보았다. 특수 섬유 응용기술은 재까지도 미국과 국을 심으로

세계 으로 활발히 연구되고 있는 분야로서, 최근 들어서

는 microfiber, PCF를 이용한 기능성 섬유 기반 소자 연

구가 주목을 받고 있으며, 섬유 이 분야에서 이 클

래드 섬유 개발로 인해 고출력 경쟁과 더불어 펄스 동작

출력 장 제어 등에 한 연구가 활발히 이루어지고 있

다. 기능성 섬유 기반 소자는 섬유 자체가 가지는 우수

한 특성과 더불어 다른 소자와의 연결 용이성, 가격 경쟁

력을 가지고 있어 향후 그 시장 망이 무척 밝다고 할 수

있으며, 섬유 이 역시 그 구조 특성상 다른 이 들

에 비해 많은 장 들을 가지고 있어 통신, 재료 가공, 의료

수술 진단, 디스 이 등 여러 산업분야에서 기존 이

들을 체하고 새로운 시장을 형성할 수 있을 것으로 망

된다.

차세대 광통신용 특수 광섬유 소자...

Documents