광결정 섬유

광결정 섬유(영어: Photonic-crystal fiber, PCF)는 광결정의 특성에 기반한 광섬유의 한 종류이다. 1996년 배스 대학교에서 처음 연구되었다. 광결정 섬유는 속이 빈 코어에 빛을 가두거나 기존 광섬유에서는 불가능했던 감금 특성을 가질 수 있기 때문에 현재 광섬유 통신, 파이버 레이저, 비선형 장치, 고출력 전송, 고감도 가스 센서 및 기타 분야에서 응용되고 있다. 광결정 섬유의 더 구체적인 범주에는 광밴드갭 섬유(영어: photonic-bandgap fiber, 띠틈 효과에 의해 빛을 가두는 광결정 섬유), 다공성 섬유(영어: holey fiber, 단면에 공기 구멍을 사용하는 광결정 섬유), 공기 구멍의 존재에 의해 변형된 기존의 고굴절률 코어에 의해 빛을 유도하는 공기 구멍 보조 섬유, 그리고 동심원 다층 필름 링으로 형성된 브래그 섬유(영어: Bragg fiber)가 포함된다. 광결정 섬유는 빛이 굴절률 차이뿐만 아니라 구조적 변형에 의해 유도되는 더 일반적인 미세구조 광섬유의 하위 그룹으로 간주될 수 있다. 중공 코어 섬유(HCF)는 다공성 광섬유와 일부 유사성을 가지고 있지만, 섬유에 따라 광자 특성을 가질 수도 있고 가지지 않을 수도 있는 관련 광섬유 유형이다.^[1][2]

SEM으로 촬영한 미국 해군 연구소에서 생산된 광결정 섬유 현미경 사진. (왼쪽) 섬유 중심의 단단한 코어 직경은 5 μm이고, (오른쪽) 구멍 직경은 4 μm이다.

원근법 및 단면도로 본 광결정 섬유 다이어그램. 주기적인 공기 구멍 클래딩과 단단한 파란색 코팅이 있는 솔리드 코어 섬유가 표시되어 있다.

설명

광섬유는 1970년대에 기존의 스텝 인덱스 섬유로 널리 도입된 실질적인 돌파구^[3][4]와 나중에 전파가 효과적인 공기 클래딩 구조에 의해 정의되는 단일 재료 섬유^[5]로 진화하면서 많은 형태로 발전해왔다.

일반적으로 광결정 섬유와 같은 규칙적인 구조의 섬유는 단면(일반적으로 섬유 길이 전체에 걸쳐 균일함)이 하나, 둘 또는 그 이상의 재료로 구성되어 있으며, 가장 일반적으로 단면의 대부분에 걸쳐 주기적으로 배열되어 있다. 이 영역은 "클래딩"으로 알려져 있으며, 빛이 갇히는 코어(또는 여러 코어)를 둘러싸고 있다. 예를 들어, 필립 러셀이 처음 시연한 섬유는 실리카 섬유에 공기 구멍의 육각형 격자로 구성되었으며, 빛이 유도되는 중앙에 단단한^[6] 또는 속이 빈^[7] 코어가 있었다. 다른 배열로는 예와 야리브가 "브래그 섬유"로 처음 제안한^[8] 두 가지 이상의 재료로 된 동심원 링, 나비 넥타이, 팬더, 그리고 타원형 구멍 구조(상대 굴절률의 불규칙성으로 인해 높은 복굴절을 달성하는 데 사용됨), 개별 매개변수를 변경할 수 있어 광학적 특성을 더 잘 제어할 수 있는 와선^[9] 디자인이 있다.

(참고: 광결정 섬유, 특히 브래그 섬유는 광결정 섬유와 같이 횡방향으로 변하는 것이 아니라 섬유 축을 따라 주기적인 굴절률 또는 구조적 변화로 구성된 광섬유 브래그 격자와 혼동해서는 안 된다. 광결정 섬유와 광섬유 브래그 격자 모두 브래그 회절 현상을 사용하지만 방향이 다르다.)

단일 코어 광결정 섬유의 최저 감쇠는 0.37 dB/km,^[10] 중공 코어의 경우 1.2 dB/km이다.^[11]

제조

일반적으로 이러한 섬유는 다른 광섬유와 동일한 방법으로 제작된다. 먼저 수 센티미터 크기의 "프리폼"을 만든 다음, 프리폼을 가열하고 드로잉하여 훨씬 작은 직경(종종 사람 머리카락만큼 작음)으로 줄여 프리폼 단면은 축소하지만(일반적으로) 동일한 특징을 유지한다. 이런 방식으로 단일 프리폼으로 수 킬로미터의 섬유를 생산할 수 있다. 공기 구멍은 가장 일반적으로 속이 빈 막대를 묶음으로 모으고, 묶음을 가열하여 드로잉하기 전에 정렬된 구멍이 있는 단일 막대로 융합하는 방식으로 만들어지지만, 드릴링/밀링은 최초의 비주기적 디자인을 만드는 데 사용되었다.^[12] 이것은 이후 최초의 소프트 유리 및 폴리머 구조 섬유를 생산하는 기반이 되었다.

대부분의 광결정 섬유는 실리카 유리로 제작되었지만, 특정 광학적 특성(예: 높은 광학적 비선형성)을 얻기 위해 다른 유리도 사용되었다. 또한 폴리머로 제작하는 것에 대한 관심도 높아지고 있으며, 이 경우 다양한 구조(예: 등급 지수 구조, 링 구조 섬유 및 중공 코어 섬유)가 연구되었다. 이러한 폴리머 섬유는 미세 구조 폴리머 광섬유의 약자인 "MPOF"로 명명되었다.^[13] 2002년 테멜쿠란 등은^[14] 10.6 μm 파장(실리카가 투명하지 않은 영역)을 위해 폴리머와 칼코게나이드 유리의 조합을 사용했다.

작동 모드

두 가지 유형의 광결정 섬유 단면도: 지수 유도(왼쪽) 및 광자 밴드갭(오른쪽).

광결정 섬유는 감금 메커니즘에 따라 지수 유도와 광자 밴드갭의 두 가지 작동 모드로 나눌 수 있다.

지수 유도(영어: Index guiding) 광결정 섬유는 클래딩보다 평균 굴절률이 높은 코어를 특징으로 한다. 이를 달성하는 가장 간단한 방법은 동일한 재료로 된 클래딩 영역으로 둘러싸여 있지만 공기 구멍이 박혀 있는 단단한 코어를 유지하는 것이다. 공기의 굴절률이 클래딩의 평균 굴절률을 필연적으로 낮추기 때문이다. 이러한 광결정 섬유는 기존 광섬유와 동일한 지수 유도 원리로 작동한다. 그러나 코어와 클래딩 사이의 훨씬 높은 유효 굴절률 대비를 가질 수 있으므로 비선형 광학 장치, 편광 유지 섬유와 같은 응용 분야에서 훨씬 강력한 감금을 할 수 있다. 또는 훨씬 낮은 유효 지수 대비로도 만들 수 있다.

다른 방법으로 광자 밴드갭(영어: photonic bandgap) 광결정 섬유를 만들 수 있다. 이 섬유에서는 미세 구조 클래딩에 의해 생성된 광자 밴드갭에 의해 빛이 갇힌다. 이러한 밴드갭은 적절히 설계되면 낮은 굴절률 코어는 물론 속이 빈(공기) 코어에도 빛을 가둘 수 있다. 중공 코어를 가진 밴드갭 섬유는 사용 가능한 재료에 의해 부과되는 한계를 잠재적으로 우회할 수 있다. 예를 들어, 투명한 재료를 사용할 수 없는 파장에서 빛을 유도하는 섬유를 만들 수 있다(빛이 주로 공기에 있고 고체 재료에 있지 않기 때문). 중공 코어의 또 다른 잠재적인 장점은 코어에 재료를 동적으로 도입할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 특정 물질의 존재를 분석할 가스와 같은 것이다. 광결정 섬유는 빛의 투과율을 높이기 위해 유사하거나 다른 굴절률 재료의 졸-겔로 구멍을 코팅하여 수정할 수도 있다.

역사

"광결정 섬유"라는 용어는 필립 러셀이 1995~1997년에 만들었다(그는 1991년 미출판 작업에서 아이디어가 나왔다고 2003년에 언급했다).

같이 보기

• 광섬유 브래그 격자
• 광섬유
• 경사지수 광학
• 누설 모드
• 광 통신
• 광학 매질
• 광결정
• 서브파장 직경 광섬유