테이퍼드 광섬유
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1. 개요
테이퍼드 광섬유는 단일 모드 광섬유를 가늘게 늘여 제작한 광섬유의 일종이다. 광섬유 직경이 서서히 줄어들어 가장 얇은 부분을 허리라고 부르며, 허리 직경은 마이크로미터 또는 나노미터 수준으로 감소한다. 허리의 가늘기와 직경 변화에 따라 성능이 결정되며, 테이퍼드 영역을 지나면서 빛의 강도와 모드가 변화한다. 제작 과정에서 형성된 모양에 따라 adiabatic 및 non-adiabatic 디자인으로 분류되며, 불꽃 가열 방법을 통해 제작하는 것이 일반적이다.
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- 광섬유 - 다중 모드 광섬유
다중 모드 광섬유는 코어 직경이 커서 여러 광 신호를 동시에 전달할 수 있고 연결이 용이하며 저렴한 광원을 사용 가능하지만, 모드 분산과 색 분산으로 전송 거리와 대역폭에 제한이 있어 주로 단거리 통신이나 광섬유 분광 장비 등에 사용되고 ISO 11801 표준에 따라 OM1부터 OM5까지 분류된다.
| 테이퍼드 광섬유 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 명칭 | 테이퍼드 광섬유 (Tapered optical fiber) |
| 다른 명칭 | 광섬유 테이퍼 (Fiber optic taper) |
| 종류 | 광섬유 |
| 재료 | 석영 유리 플라스틱 |
| 개요 | |
| 설명 | 테이퍼드 광섬유는 광섬유의 일부가 원래 직경보다 훨씬 작은 직경으로 가늘게 만들어진 광학 장치이다. |
| 특징 | 빛을 한 곳에 모으거나 분산시키는 능력 광학 센서, 현미경, 분광학, 광학 회로 등에 사용 |
| 제조 | |
| 제조 방법 | 가열 및 인장 방법: 광섬유를 가열하면서 양쪽 끝을 당겨 가늘게 만든다. 화학적 에칭 방법: 화학 물질을 사용하여 광섬유의 외피를 용해시켜 가늘게 만든다. |
| 고려 사항 | 테이퍼의 길이와 직경 사용되는 재료의 종류 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이 |
| 작동 원리 | |
| 광학적 특성 | 테이퍼 부분을 통과하면서 빛의 경로가 바뀌고, 작은 직경으로 인해 빛이 더 강하게 집속되거나 분산된다. |
| 전반사 | 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이를 이용하여 빛을 섬유 내부에 가두어 전반사 현상을 일으킨다. |
| 응용 분야 | |
| 광학 센서 | 작은 변화를 감지하는 데 사용 (예: 압력, 온도, 굴절률 변화 감지) |
| 현미경 | 고해상도 이미징을 위한 빛 집속 |
| 분광학 | 빛의 스펙트럼 분석 |
| 광학 회로 | 광 신호 처리 및 라우팅 |
| 기타 응용 | 생의학 이미징 통신 레이저 가공 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 높은 감도 작은 크기 다양한 응용 분야에 적용 가능 |
| 단점 | 제조 과정의 어려움 외부 환경에 민감 |
| 추가 정보 | |
| 관련 연구 | 테이퍼드 광섬유 센서의 새로운 설계 및 제조 방법 연구 다양한 응용 분야에 대한 성능 향상 연구 |
2. 분류와 특성
광섬유는 모드 수와 굴절률에 따라 분류된다. 모드 수에 따라서는 단일 모드 광섬유(SMF)와 다중 모드 광섬유(MMF)로 나뉜다. SMF에서는 클래딩 직경 125μm의 광섬유에서 5-10μm의 코어를 통해 한 종류의 광선만 전파되고, MMF에서는 클래딩 직경이 125μm인 광섬유에서 50-100μm의 코어를 통해 다중 광선 모드가 전파된다.[2][3]
테이퍼드 광섬유는 주로 단일 모드 광섬유(SMF)를 가늘게 늘려서 제작한다. 광섬유의 직경이 서서히 줄어들어 가장 직경이 작은 부분을 허리(Wrist)라고 하며, 허리의 직경은 마이크로미터나 나노스케일 까지 감소된다. 이때 허리의 가늘기, 직경 변화의 크기에 따라 테이퍼드 광섬유의 성능이 결정된다. 테이퍼드 광섬유에서 테이퍼 되지 않은 SMF를 통해 광선이 입사되면, 테이퍼 된 영역을 지나가면서 코어와 클래딩 직경이 점차 줄어들게 되고, 이에 따라 광선이 작은 부피로 한정되면서 광선의 강도, 모드가 변화된다.
테이퍼드 광섬유는 제작 과정에서 형성된 모양에 따라 adiabatic한 디자인과 non-adiabatic한 디자인으로 나뉜다.[4] adiabatic한 테이퍼드 광섬유는 테이퍼 된 영역의 각도(angle of taperd transition area)[5]가 보통 10-4rad 에서 10-3rad 정도이며, 테이퍼 된 영역이 허리를 기준으로 대칭적인 테이퍼드 광섬유를 말한다. 이 상태일 때 테이퍼드 광섬유를 통한 신호 전파가 연속적이며 부드럽게 나오며, 신호 손실이 적다.
2. 1. 모드 수에 따른 분류
2. 2. 굴절률에 따른 분류
2. 3. 테이퍼드 광섬유의 특성
광섬유는 모드 수(*single mode fiber(SMF)*와 *multi-mode fiber(MMF)*)와 굴절률(RI)에 따라 두 가지 유형으로 나뉜다. SMF에서는 클래딩 직경 125μm의 광섬유에서 5-10μm의 코어를 통해 한 종류의 광선만 전파되고 MMF에서는 클래딩 직경이 125μm인 광섬유에서 50-100μm의 코어를 통해 다중 광선 모드가 전파된다.[2][3]이 중에서 테이퍼드 광섬유는 주로 SMF를 가늘게 늘려서 만드는데, 이때 광섬유의 직경이 서서히 줄어들어 가장 직경이 작은 부분을 허리(Wrist)라고 하며, 허리의 직경은 마이크로미터나 나노스케일 까지 감소되는데 이때 허리의 가늘기, 직경 변화의 크기에 따라 테이퍼드 광섬유의 성능이 결정된다.
테이퍼드 광섬유에서 테이퍼 되지 않은 SMF를 통해 광선이 입사되면, 테이퍼 된 영역을 지나가면서 코어와 클래딩 직경이 점차 줄어들게 되고, 이에 따라 광선이 작은 부피로 한정되면서 광선의 강도, 모드가 변화된다.
또한 테이퍼드 광섬유는 제작 과정에서 형성된 모양에 따라 adiabatic한 디자인과 non-adiabatic한 디자인으로 나뉜다.[4]
- '''Adiabatic 테이퍼드 광섬유'''
adiabatic한 테이퍼드 광섬유는 angle of taperd transition area[5] 가 보통 10-4rad 에서 10-3rad 정도이며, 테이퍼 된 영역이 허리를 기준으로 대칭적인 테이퍼드 광섬유를 말한다. 이 상태일 때 테이퍼드 광섬유를 통한 신호 전파가 연속적이며 부드럽게 나오며, 신호 손실이 적다.
2. 3. 1. Adiabatic 테이퍼드 광섬유
adiabatic한 테이퍼드 광섬유는 angle of taperd transition area[5] 가 보통 10-4rad 에서 10-3rad 정도이며, 테이퍼 된 영역이 허리를 기준으로 대칭적인 테이퍼드 광섬유를 말한다. 이 상태일 때 테이퍼드 광섬유를 통한 신호 전파가 연속적이며 부드럽게 나오며, 신호 손실이 적다.2. 3. 2. Non-adiabatic 테이퍼드 광섬유
Non-adiabatic 테이퍼드 광섬유는 adiabatic 테이퍼드 광섬유와 달리 테이퍼 각도가 크거나, 허리(Wrist)를 기준으로 테이퍼 된 영역이 비대칭적인 구조를 가진 광섬유를 말한다. adiabatic 테이퍼드 광섬유에 비해 신호 손실이 크고, 신호 전파가 불연속적일 수 있다.[4]3. 제조 방법
테이퍼드 광섬유를 만드는 방법은 여러 가지가 있지만, 현재 주로 쓰이는 방법은 불꽃 가열(flame heating)이다.[6] 이 방법은 불꽃을 이용해 광섬유에 고온을 가하여 녹인 채로 장력과 같은 외력을 주어 늘리는 방법이다. 대한민국은 광통신 기술 강국으로서, 테이퍼드 광섬유 제조 기술 역시 세계적인 수준을 보유하고 있다.
3. 1. 불꽃 가열(Flame Heating) 방법
불꽃 가열(Flame Heating) 방법은 광섬유에 불꽃을 이용하여 고온을 가하고, 동시에 장력을 가하여 늘리는 방식으로 테이퍼드 광섬유를 제작하는 데 주로 사용된다.[6] 이 방법을 통해 정밀한 제어가 가능하며, 원하는 형태의 테이퍼드 광섬유를 만들 수 있다. 대한민국은 광통신 기술 강국으로서, 테이퍼드 광섬유 제조 기술 역시 세계적인 수준을 보유하고 있다.참조
[1]
논문
Recent Developments in Micro-Structured Fiber Optic Sensors
http://dx.doi.org/10[...]
2017-01-10
[2]
서적
Fiber optics : physics and technology
https://www.worldcat[...]
2016
[3]
논문
Ultra-fast Hygrometer based on U-shaped Optical Microfiber with Nanoporous Polyelectrolyte Coating
http://dx.doi.org/10[...]
2017-08-11
[4]
논문
Comprehensive Review Tapered Optical Fiber Configurations for Sensing Application: Trend and Challenges
https://www.mdpi.com[...]
2021-07-27
[5]
문서
직경이 변화하는 영역의 각도
[6]
논문
Comprehensive Review Tapered Optical Fiber Configurations for Sensing Application: Trend and Challenges
https://www.mdpi.com[...]
2021-07-27
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