편광 유지 광섬유란 무엇인가요?

Fibermart
Wednesday 15 August, 2018
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이 글에서는 PM 광섬유의 작동 원리와 응용 분야에 대해 설명합니다. 파이버마트는 PM 광섬유 패치 케이블을 공급합니다. PM 광섬유 패치 케이블에 대한 문의 사항이나 필요 사항이 있으시면 [email protected] 으로 연락 주시기 바랍니다 .

편광이란 무엇인가?

빛은 전자기파의 한 종류입니다. 빛은 진동하는 전기장(E)과 자기장(B)으로 구성됩니다. 빛의 성질은 전기장 E를 연구함으로써 설명할 수 있지만, 자기장을 통해서도 빛과 그 효과를 설명할 수 있습니다.

빛은 여러 방향으로 진동할 수 있습니다. 한 방향, 즉 위아래와 같은 단일 평면에서 진동하는 빛을 편광된 빛이라고 합니다. 두 개 이상의 방향, 즉 위/아래와 좌우와 같은 두 개 이상의 평면에서 진동하는 빛을 비편광된 빛이라고 합니다.

PM 섬유의 원리

광섬유에 입사되는 빛의 편광 방향이 복굴절 축 중 하나와 정렬되어 있으면, 광섬유가 휘어지더라도 해당 편광 상태는 유지됩니다. 이러한 현상의 물리적 원리는 코히런트 모드 결합으로 이해할 수 있습니다. 강한 복굴절로 인해 두 편광 모드의 전파 상수가 다르기 때문에, 동일 방향으로 진행하는 모드들의 상대 위상은 빠르게 멀어집니다. 따라서 광섬유를 따라 발생하는 교란은 두 편광 모드의 전파 상수 차이에 해당하는 파수를 갖는 상당한 공간 푸리에 성분을 포함할 때에만 두 모드를 효과적으로 결합시킬 수 있습니다. 이 차이가 충분히 크다면, 광섬유 내의 일반적인 교란은 너무 느리게 변화하여 효과적인 모드 결합을 유도할 수 없습니다. 따라서 편광 모드(PM) 광섬유 의 원리는 이 차이를 충분히 크게 만드는 데 있습니다.

가장 일반적인 광섬유 통신 응용 분야에서 PM(편광) 광섬유는 빛을 선형 편광 상태로 한 곳에서 다른 곳으로 전달하는 데 사용됩니다. 이를 위해서는 몇 가지 조건을 충족해야 합니다. 입력광은 높은 편광도를 가져야 하며, 그렇지 않으면 저축 모드와 고속축 모드가 동시에 발생하여 출력 편광 상태를 예측할 수 없게 됩니다.

입력광의 전기장은 동일한 이유로 광섬유의 주축(업계 관례상 느린 축)과 정확하게 정렬되어야 합니다. PM 광섬유 경로 케이블이 광섬유 커넥터 또는 스플라이스로 연결된 광섬유 세그먼트로 구성된 경우, 연결되는 광섬유의 회전 정렬이 매우 중요합니다. 또한 커넥터는 내부 응력으로 인해 전기장이 광섬유의 의도하지 않은 축으로 투영되지 않도록 PM 광섬유에 설치해야 합니다.

PM 섬유의 종류

원형 PM 섬유

원형 복굴절을 광섬유에 도입하여 광섬유의 두 직교 편광 모드가 시계 방향과 반시계 방향 원형 편광을 갖도록 할 수 있는데, 이를 원형 편광 광섬유(Circular PM fiber)라고 합니다. 원형(축대칭) 광섬유에서 원형 복굴절을 구현하는 가장 일반적인 방법은 광섬유를 비틀어 시계 방향과 반시계 방향 원형 편광 기본 모드의 전파 상수 차이를 발생시키는 것입니다. 이렇게 하면 두 원형 편광 모드가 분리됩니다. 또한, 광섬유 길이를 따라 방위각 방향으로 변화하는 외부 응력을 가하여 광섬유에 원형 복굴절을 발생시킬 수도 있습니다. 광섬유를 비틀면 비틀림 응력이 발생하고, 이 응력은 비틀림 정도에 비례하여 광학적 활성을 나타냅니다.

선형 PM 섬유

선형 편광 변조(PM) 광섬유는 크게 단일 편광형과 복굴절형 두 가지 유형으로 나뉩니다. 단일 편광형은 기본 모드의 두 편광 방향 간의 전송 손실 차이가 큰 것이 특징입니다. 복굴절형은 기본 모드의 두 편광 방향 간의 전파 상수가 현저하게 다른 것이 특징입니다. 선형 편광은 다양한 광섬유 설계를 통해 유지될 수 있으며, 이에 대해서는 다음에서 자세히 살펴보겠습니다.

측면 홈과 측면 터널이 있는 선형 PM 섬유:

측면 피트 광섬유는 중심 코어의 양쪽에 클래딩 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 두 개의 피트를 포함합니다. 이러한 유형의 광섬유는 x축을 따라 W형 굴절률 프로파일을, y축을 따라 계단형 굴절률 프로파일을 가집니다. 측면 터널 광섬유는 측면 피트 구조의 특수한 경우입니다. 이러한 선형 PM 광섬유 에서는 코어에 기하학적 이방성을 도입하여 복굴절 광섬유를 얻습니다.

응력이 가해진 부품이 있는 선형 PM 섬유:

광섬유에 높은 복굴절을 유도하는 효과적인 방법은 광섬유 코어에 2중 기하학적 대칭을 갖는 비대칭 응력을 가하는 것입니다. 이 응력은 광탄성 효과로 인해 코어의 굴절률을 변화시키고, 이는 광섬유의 주축을 따라 편광된 모드에 의해 관찰되어 복굴절을 유발합니다. 필요한 응력은 코어의 반대쪽 클래딩 영역에 동일하고 독립적인 두 개의 응력 적용부(SAP)를 배치함으로써 얻을 수 있습니다. 따라서 SAP의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 작거나 같으면 SAP를 통해 불필요한 모드가 전파되지 않습니다.

SAP에 가장 일반적으로 사용되는 모양은 나비넥타이 모양과 원형 모양입니다. 이러한 광섬유는 각각 나비넥타이 광섬유와 PANDA 광섬유라고 합니다. 아래 그림은 이 두 가지 유형의 광섬유의 단면도를 보여줍니다. 이 광섬유에서 나타나는 모드 복굴절은 기하학적 복굴절과 응력 유도 복굴절을 모두 포함합니다. 원형 코어 광섬유의 경우, 기하학적 복굴절은 무시할 수 있을 정도로 작습니다. SAP를 코어에 가깝게 배치하면 광섬유의 복굴절이 향상되는 것으로 나타났지만, 특히 실리카 이외의 물질로 도핑된 SAP의 경우 광섬유 손실이 증가하지 않도록 코어에 충분히 가깝게 배치해야 합니다. PANDA 광섬유는 높은 모드 복굴절, 매우 낮은 손실 및 낮은 누화를 달성하도록 더욱 개선되었습니다.

타원형 구조를 가진 선형 PM 섬유:

실용적인 저손실 단일 편광 광섬유에 대한 최초의 제안은 타원형 코어, 타원형 클래드, 타원형 재킷의 세 가지 광섬유 구조에 대해 실험적으로 연구되었습니다. 타원형 코어 광섬유에 대한 초기 연구는 편광 복굴절률 계산에 초점을 맞추었습니다. 초기 단계에서는 직사각형 유전체 도파관의 전파 특성을 이용하여 타원형 코어 광섬유의 복굴절률을 추정했습니다. PM 광섬유를 사용한 첫 번째 실험에서는 아령 모양의 코어를 가진 광섬유를 제작했습니다. 코어와 클래드의 굴절률 차이를 증가시키면 비트 길이를 줄일 수 있습니다. 그러나 실제적인 제약으로 인해 굴절률 차이를 너무 크게 늘릴 수는 없습니다. 굴절률 차이가 커지면 전송 손실이 증가하고, 코어 반경을 줄여야 하므로 접합이 어려워집니다. 타원형 코어 광섬유의 일반적인 복굴절률 값은 타원형 클래드 광섬유보다 높습니다. 하지만 손실은 타원형 코어 광섬유에서 더 큽니다.

굴절률 변조 기능을 갖춘 선형 PM 광섬유:

두 개의 직교하는 기본 모드의 차단 파장을 분리하여 단일 편광 광섬유의 대역폭을 증가시키는 한 가지 방법은 하나의 편광 상태만 차단되도록 굴절률 프로파일을 선택하는 것입니다. 3층 타원형 광섬유에서 내부 클래딩의 굴절률에 방위각 변조를 도입함으로써 높은 복굴절률을 얻었습니다. 직사각형 코어 도파관을 기준 구조로 가정하고 섭동 접근법을 사용하여 3층 타원형 광섬유를 분석했습니다. 3층 타원형 광섬유의 복굴절률을 조사한 결과, 내부 클래딩 굴절률의 적절한 방위각 변조를 통해 복굴절률을 증가시키고 단일 편광 동작에 대한 파장 범위를 확장할 수 있음을 확인했습니다.

PM 섬유의 응용 분야

편광 유지(PM) 광섬유는 온도 변화 등으로 인해 편광 상태가 변동해서는 안 되는 장치에 사용됩니다. 예를 들어 광섬유 간섭계나 특정 광섬유 레이저 등이 있습니다. 이러한 광섬유를 사용할 때의 단점은 일반적으로 편광 방향을 정확하게 정렬해야 하므로 생산이 더 까다롭다는 것입니다. 또한, 전파 손실이 일반 광섬유보다 크고, 모든 종류의 광섬유를 편광 유지 형태로 쉽게 구할 수 있는 것은 아닙니다.

편광(PM) 광섬유는 광섬유 센싱, 간섭계, 양자 키 분배와 같은 특수 분야에 사용됩니다. 또한 변조기가 입력으로 편광된 빛을 필요로 하기 때문에 통신 분야에서 광원 레이저와 변조기 사이의 연결에 일반적으로 사용됩니다. 하지만 PM 광섬유는 가격이 비싸고 단일 모드 광섬유보다 감쇠율이 높기 때문에 장거리 전송에는 거의 사용되지 않습니다.