45도로 가공된 광섬유 단면에서의 감쇠장 커플링 효과에 대한 연구

Abstract

빛이 굴절률이 큰 물질에서 굴절률이 작은 물질로 진행할 때, 입사 각이 임계각보다 크면 빛은 경계면을 투과하지 않고 모두 반사되는 전반사 현상을 겪게 된다. 이러한 전반사가 일어날 때 빛은 투과해서 굴절률이 작은 물질에서 진행하지 못하지만 경계면에 근접한 영역에 한해서 존재하는 전기장, 즉, 감쇠장 성분은 여전히 존재할 수 있다. 이러한 감쇠장은 경계면에서 수직인 방향으로 빠르게 감쇄하는 것이 특징이다. 감쇠장은 굴절률이 작은 물질로 진행하지 못하지만, 경계 면에 매우 근접한 거리에 제 3의 굴절률이 높은 물질이 존재하면 제 3의 물질로 커플링될 수 있다. 근접 거리에서 일어나는 감쇠장 커플 링은 센서, 프리즘 커플러 등에 활용되고 있다. 광섬유는 전반사를 활용한 대표적인 어플리케이션으로, 코어를 상대 적으로 굴절률이 낮은 클래딩으로 둘러싸서, 코어-클래딩 경계면에서 일어나는 전반사를 통해 빛을 가이딩하는 원통형 도파로이다. 전반사 현상은 광섬유 코어와 클래딩 사이의 경계면뿐만 아니라 광섬유 끝단 면과 외부 공기 매질 사이에서도 일어 날 수 있는데, 이 경우 광섬유 끝단면의 각도는 광섬유 코어/공기 경계면에서 정의되는 임계각보다 커져야 한다. 이상의 조건이 만족되었을 때 광섬유 도파 모드는 광섬 유 끝단면에서 전반사를 겪게 되고 그 경계면에서 감쇠장이 발생하게 되는데, 이 경계면에 동일한 형태로 가공된 또 다른 광섬유를 근접시 키면 두 광섬유는 감쇠장으로 커플링될 수 있다. 본 연구에서는 임계각 이상의 끝단면 각도를 갖는 코어/공기/코어 커플링 구조에서 광섬유 상호간 거리 및 각도에 따른 감쇠장 커플링 의 변화를 집중적으로 탐구한다. 이상에서는 제안하는 코어/공기/코 어 커플링 구조를 기하학적으로 모델링하고 경계면에서의 방정식을 풀고 수치 해석적 방법으로 시뮬레이션한다. 우선적으로 정성적 논의 를 위해 2차원 평판 도파로/공기/2차원 평판 도파로 구조에 대해서 시뮬레이션을 진행한다. 그리고, 한 쌍의 45도로 가공된 광섬유를 사 용하여 실험을 수행하고 그 측정된 결과를 해석적 계산 및 수치적 시 뮬레이션 결과와 비교한다. 또한, 최종적으로 본 광학 커플링 구조에 대한 2차원 수치모델을 3차원 수치모델로 확장하고, 이를 THz 대역 가스 센싱에 적용하여 그 활용도 및 효용성을 논의한다.

When light travels from a material having a high refractive index to a material having a low refractive index, the light does not pass through the interface and is reflected entirely if the incident angle is larger than the critical angle. When such a total internal reflection occurs, light does not transmit into a material having a low refractive index; however, an evanescent field can still exist in a region very close to the interface. This evanescent field is characterized by rapid attenuation in the direction perpendicular to the interface. Whilst the evanescent field does not propagate into the low-index material, the presence of a third high-index material very close to the interface can make the evanescent field coupled into the third material. This evanescent-field coupling that occurs within a short distance is utilized in sensors, prism couplers, etc. An optical fiber is a typical application that utilizes total internal reflection, which is a cylindrical waveguide that consists of a core surrounded by a cladding with a relatively low refractive index and guides light through total reflection that occurs at the core-cladding interface. The total reflection can occur not only at the core-cladding interface, but also at the fiber-end-air interface. In the latter case, the angle of the fiber end should be larger than the critical angle defined at the fiber-core-air interface. Once this condition is satisfied, the optical-fiber mode undergoes total internal reflection at the fiber-end-air interface, thereby forming an evanescent field nearby the interface. When another optical fiber of the same form is brought close to this interface, the two optical fibers are coupled by the evanescent field. In this study, the change of the evanescent field coupling according to the distance and angle between the two optical fibers is extensively explored. The proposed core-air-core structure is geometrically modeled, the continuity equations at the interface are solved, and the related simulations are performed by numerical methods. First of all, the simulation is carried out for a 2-dimensional planar waveguide-air-2-dimensional planar waveguide structure for the purpose of a qualitative discussion. Then, a pair of 45-degree-angled optical fibers are experimentally investigated and the measured results are compared with the calculation and simulation results. Furthermore, regarding this optical coupling configuration, the 2-dimensional numerical model is extended to a 3-dimensional numerical model. The 3-dimensional numerical model is then applied to a gas sensing device operating in the THz range, and its applicability and efficacy are discussed.