1. 편광 유지 광섬유 (PMF, Polarization-maintening Fiber)
ㅇ 외부 요인에도 진행 빛의 편광 상태가 변하지 않도록 설계된 특수 광섬유
- 편광모드분산을 억제해, 안정된 편광 전송을 실현
. 이는, 고 정밀 측정, 광 센서, 양자 통신 등 편광 안정성이 요구되는 분야에서 필수적
ㅇ 일반 광섬유의 문제점
- 주변 환경(온도 변화, 기계적 스트레스 등)의 변화에 의해,
. 일반 광섬유 내부에 불규칙한 복굴절이 유도되며,
. 서로 다른 편광 모드의 전파 속도 차로 인해, 편광모드분산(PMD) 발생
.. 편광면이 불안정하게 회전하거나,
.. 서로 다른 편광 성분 간에 심각한 위상 오차 등이 발생함
2. PMF의 제작 특징 및 동작 원리, 추가 고려사항
ㅇ 편광 유지의 물리적 원리
- PMF는, 서로 직교하는 두 주축(주 복굴절 축, principal axes)를 갖게함
. 빠른 축 (fast axis) : 전파 속도 빠름. 굴절률 낮음.
. 느린 축 (slow axis) : 전파 속도 느림. 굴절률 높음.
- 이처럼, 두 축에 대응하는 굴절률 차이(phase birefringence) Δn = nslow - nfast가 존재함
- 비교적 큰 Δn →
. → 두 축에 대응하는 전파 상수(또는 전파상태)가 분리됨(달라짐)
. → 편광 상태 간의 상호 결합(Coupling)이 억제됨
. → 결국 외부 요인에 의한 편광 회전, 모드 간 전파 속도 차이 등이 작아짐
ㅇ `의도적 비 대칭`을 만드는 방법
- 대표적으로, 기하학적 비 대칭 (코어 모양), 응력 유도 (스트레스 부가) 방식 등이 있음
ㅇ 모드 분산 억제
- PMF의 큰 복굴절(굴절률 차이)은, 편광 모드 간의 결합(cross-coupling)을 억제하여,
. 편광모드분산(PMD)의 랜덤 성분(환경에 따른 변동)을 줄임
- 하지만, 고정된 차동 군지연(DGD) 등은 여전히 존재할 수 있으므로,
. 설계,정렬,환경 특성을 함께 고려해야 함
ㅇ 추가 실무적 고려사항
- 입사 편광 제어 필요
. PMF는, `편광 유지`하므로, 입사광이 원하는 축(fast 또는 slow axis)에 정렬되야 효용 있음
- 커넥터 융착 시 정렬 중요
. 커넥터 정렬 및 융착 오차(offset) 등으로, 축이 잘못 맞춰지면 성능 저하
- 온도,기계적 스트레스에 대한 안정성
. 설계,재료에 따라 온도 의존성이나 장기 열화가 발생할 수 있으므로 환경 시험 필요
- 응용별 선택
. 광섬유 자이로 등 초 정밀 응용은, 매우 높은 소광비와 낮은 편광 누화를 요구함
. 이에 맞춰 PANDA형 등 고 성능 PMF 선택하는 등
3. 주요 PMF 종류
※ PMF는 내부의 비대칭 구조를 형성하는 방식에 따라 여러 종류가 있음
ㅇ PANDA (Polarization-maintaining And Absorption-reducing) Fiber
- 코어 양쪽에 팽창이 큰 스트레스 인가부(Stress-applying Parts, SAPs)를 삽입하여,
. 코어에 높은 비 대칭 응력을 유발 (현재 가장 널리 사용)
ㅇ Bow-Tie Fiber
- 코어 주변에 나비 넥타이 모양의 SAPs를 배치하여 비 대칭 응력을 발생시킴
ㅇ Elliptical Cladding / Elliptical Core Fiber
- 타원형의 클래딩 또는 타원형의 코어를 사용하여, 기하학적 비 대칭을 통해 복굴절을 유도
4. PMF의 주요 응용
ㅇ 광통신 및 광계측
- 편광유지형 광 점퍼코드, 광 커플러, 광 편광기, 광 편광 분리기 등
- 편광 상태가 중요한 광 간섭계(Interferometer), 광 스위치, 광 변조기
ㅇ 정밀 센서 및 항법 장치
- 광섬유 자이로스코프 (Fiber Optic Gyroscope, FOG)
. 광경로 내 위상 차를 감지하여, 회전 속도를 측정하는 정밀 센서로, 편광 안정성이 필수적
- 광섬유 전류 센서, 응력 감지 센서, 온도 센서 등에도 활용
ㅇ 양자 통신 및 초 정밀 측정
- 양자 키 분배(QKD) 시스템에서 편광 상태의 보존성 확보
- 초 정밀 광 간섭 실험, 레이저 간 위상 정합 등에도 사용
5. [참고사항]
ㅇ 편광 유지 광섬유, 편광 광섬유 비교
- 편광 유지 광섬유 (PMF)
. 두 편광 성분 모두 전파 가능하나, 서로 간 간섭이 억제됨 → 편광 상태의 `유지` 목적
- 편광 광섬유 (Polarizing Fiber)
. 한 편광 성분만 통과시키고 나머지는 흡수 또는 손실시킴 → `편광 생성`이 목적