신규 박막필터형 WDM 소자의 구조

광섬유는 전세계적으로 가장 일반적으로 사용되는 싱글모드 광섬유를 사용합니다. 외부하우징(Outer Housing) 은 외력으로부터 내부 구조물을 보호하기 위한 것으로 여기서 외력이란 물리적, 환경적 영향을 모두 포함됩니다. 따라서 기계적인 특성 보강을 위해 스테인리스를 사용하며, 몸체와 뚜껑의 연결부분은 열경화에폭시로 견고하게 부착합니다. 캐필러리 광섬유의 직경은 0.125+/-0.001mm로 극히 작고 또 유리재질이여서 취급에 상당한 주의가 필요합니다. 또한 렌즈의 초점과 정렬 공정중 고정이 어려워 캐필러리라는 외, 내경 공차가 정밀하게 가공된 관을 사용하게 됩니다. 이 때 캐필러리의 재질은 광섬유의 재질과 가장 유사한 유리인 pyrex을 사용하며 전체길이는 6.5mm, 내경은 0.126+/- 0.001mm, 외경공차는 1.800+/-0.001mm의 정밀도가 요구됩니다. 사용되는 용도에 따라 단심 구멍이 있는 경우를 싱글 캐필러리, 2개의 구멍이 있는 경우는 듀얼 캐필러리, 3개의 구멍이 있는 경우를 트리플 캐필러리라 명칭합니다. 기존 WDM 소자는 싱글 캐필러리와 듀얼 캐필러리를 사용하는 반면 신규 개발된 소자에서는 단일 트리플 캐필러리를 사용하여야 하는데 캐필러리를 제작하는 기술적인 문제로 4개의 구멍이 있는 캐필러리 즉, 포플렉스 캐필러리를 사용하고 4개의 광섬유 중 3개의 광섬유만을 사용합니다. 단면은 프레넬반사에 의한 역반사량을 줄이기 위해 8도로 연마하고 투과손실을 줄이기 위해 무반사 코팅을 합니다. 다음은 프레넬 반사이론에 의한 광섬유의 단면각도에 따른 역반사량과 실제 여러 가지 단면각도로 제작된 캐필러리를 실측한 결과입니다. 실험에는 4개 각도의 연마지그를 사용하여 제작하였습니다. 0도, 4도, 6도, 8도 등의 각도로 연마후 역반사량을 측정한 결과 55dB 이상의 역반사량을 만족하는 경우는 8도인 것이 확인되었습니다. 또한 투과 손실을 줄이기 위해 캐필러리 단면에 무반사 박막을 증착합니다. 박막재료는 TiO2와 SiO2로 총 층수는 5회로 하였습니다. 무반사 다층박막 설계는 반사율 0.5%미만을 목표로 하고 사용된 박막재료의 굴절률 은 TiO2가 2.17, SiO2는 1.44 이고, 사용파장영역은 1,300 ~ 1,600m이므로 설계 시 중심파장은 1,410nm로 설정하였습니다. 유리관 캐필러리와 렌즈, 필터 등이 각각의 광학정렬후 부착될 때 에폭시를 사용하게 됩니다. 이 광학정렬 고정상태가 외부로 부터 직접적인 힘이 가해져 흔들리지 않도록 외부 하우징과 자유공간 간격을 보장해 주어야 하는데 이러한 역할을 하는 것이 유리관입니다. 캐필러리와 렌즈 사이의 정렬 후, 고정에 사용된 에폭시가 렌즈의 외경보다 크게 외부로 노출되게 됩니다. 이 부분은 광학적으로 매우 민감한 부분이여서 고정 상태를 기계적, 환경적으로 보호되어야 하기 때문에 금속관과 일정한 자유공간을 확보해 주어야 합니다. 이러한 목적으로 사용되는 유리관은 열팽창 등의 특성이 매우 우수하여야 합니다. 금속관 및 필터홀더 금속관 및 반사체홀더는 본 개발과제에서 핵심인 반사체를 고정하기 위해 사용 되는 자재로써 필터홀더에 부착된 반사체와 렌즈의 광학 정렬 후 최적의 정렬을 고정하기 위해 납에 의한 솔더링을 하게 됩니다. 이를 위해 표면이 금도금 처리되어야 하며 열적안정성도 뛰어나야 하기 때문에 스테인리스 재질을 채택합니다. 금속관은 필터홀더와의 원활한 솔더링을 위해 끝부분에 홀을 4곳에 가공 처리합니다. 필터홀더는 금속관과 마찬가지로 솔더링을 위해 전체를 금도금 처리합니다. 필터 및 반사체는 광통신에서 사용되는 박막필터형이고, 광소자의 박막필터는 금속박막에 비해 상대적으로 흡수손실이 적은 유전체 다층박막이 유용하며, 코팅되는 물질의 굴절률과 두께, 층수 등을 변수로 하여 반사율, 투과율, 대역폭 등의 광특성 조절이 가능합니다. 다음은 광통신에 사용되는 WDM 필터의 개략적인 구조와 용도를 표시한 것입니다. WDM 필터는 특정영역의 파장만 투과하고 그 이외의 파장은 반사하는 기능을 말합니다. 광학박막의 투과율, 반사율, 대역폭 등의 광특성을 표현하기 위해서는 매질에서 전기장과 자기장의 비로써 정의되는 물질의 어드미턴스와 경계면간의 전기장과 자기장의 특성을 표현하는 전달행렬인 특성행렬을 사용했습니다. 1/4 파장 광학두께로 구성된 여러 층의 다층 박막특성은 각각의 박막층에 대한 어드미턴스와 전달행렬에 의해 하나의 어드미턴스와 전달행렬로 표현될 수 있습니다.