Fiber Optics

파이버 레이저는 또한 희토류 성분(에르븀, 툴리움, 이터븀)이 혼합된 파이버를 레이저 활성 매질로 사용하는 레이저 유형입니다. 다른 레이저 유형에서는 레이저 활성 매질로 크리스탈(예: 디스크 레이저) 또는 가스(예: CO2 레이저)가 사용되는 것과 이 레이저 유형이 다른 점입니다. 이번 포스트에서는 파이버 옵틱에 대해 알아보겠습니다.

Act

Apr 01, 2025

Contents

파이버 빛의 굴절 NA (Numerical Aperture)CA (Clear Aperture)광섬유의 분산 빛의 증폭 초점 빔 변환

파이버

전원이 인가된 레이저 다이오드는 전기를 광자로 변환합니다. 그리고 생성된 빛은 광섬유 케이블(이하 파이버)을 지나 펌핑 됩니다. 하지만 특정 메커니즘을 따라 빛이 제어되지 않으면 빛은 모든 방향으로 진행하고 최대한 작은 영역에 에너지를 집중시켜야 하는 레이저 가공을 수행할 수 없게 됩니다. 이번 글에서는 레이저 시스템에 사용되는 파이버에 대해 알아보겠습니다.

파이버는 다층 구조로 만들어집니다. 그 중, 코어는 그 이름처럼 파이버의 중앙에 위치합니다. 물론, 최근에는 다중 코어, 다층 코어 등 다양한 형태로 변형된 코어도 있지만, 우선 중앙에 하나의 코어를 가진 파이버로 생각해 주세요.

코어는 빛이 이동하는 통로입니다. 실리카 유리로 만들어지고 희토류 원소(이 경우 이터븀)로 코팅되었으며 굴절률이 높습니다. 클래딩은 굴절률이 낮은 코어를 둘러싼 층입니다. 코팅은 충격을 흡수하고 코어가 구부러지는 것을 방지하는 버퍼 역할을 하는 두꺼운 플라스틱 층입니다.

Fiber Core : 광섬유 코어는 빛이 전파되는 경로를 제공합니다. 일반적으로 GeO2, Al2O3 및 ZFG(지르코늄 ZrF4 플루오라이드)와 같은 지수 변경 도펀트가 포함된 실리카나 플라스틱으로 만들어지지만, 원하는 투과율에 따라 다른 재료를 사용하기도 합니다. 코어 크기가 클수록 더 많은 양의 빛, 즉 더 큰 빔 직경이 광섬유에 들어올 수 있습니다. 코어의 개구수(NA)는 광섬유가 허용할 수 있는 입사각 범위를 결정하고 지정된 범위 내에서 성능을 발휘합니다.

Cladding : 코어는 클래딩으로 둘러싸여 있는데, 클래딩은 일반적으로 코어와 동일한 재료로 만들어지지만 굴절률이 약간 낮습니다. 클래딩은 빛이 코어를 빠져나와 케이블의 나머지 부분에 흡수되는 것을 방지합니다. 섬유는 단일, 이중 또는 삼중 클래드일 수 있습니다. 이중 클래드 섬유는 내부 코어를 둘러싼 두 개의 뚜렷한 클래딩 층으로 구성되어 있습니다. 이상적인 광섬유에서는 빛의 100%가 광섬유 코어를 통해 전파될 때 코어-클래딩 경계에서 전반사를 겪습니다. 그러나 불완전성, 굽힘 및 결함으로 인해 전파되는 빛의 소량이 클래딩 층으로 새어 들어가는 경우가 일반적입니다. 단일 클래드 광섬유에서는 빛이 광섬유의 한 지점에서 새어 나올 수 있습니다. 이러한 고강도 부위는 섬유를 쉽게 태우거나 손상시킬 수 있습니다. 이중 클래드 광섬유에서는 두 번째 클래딩 층이 추가 도파관 층 역할을 하여 광섬유를 따라 일부 빛 누출을 분산시킵니다. 이를 통해 빛 누출로 인한 손상 위험을 크게 줄일 수 있습니다. 이러한 이유로 이중 클래드 광섬유는 고출력 광섬유 레이저와 증폭기에 일반적으로 사용됩니다.

Protective Coating : 1~2겹의 완충재(아크릴레이트 등)로 보호 코팅을 하면 인접한 섬유 간의 간섭을 줄이고, 섬유가 거친 표면에 눌릴 때 손실이 커지는 미세 굽힘을 줄일 수 있습니다. 때로는 추가적인 금속 시트를 환경적, 물리적 보호를 위해 추가하기도 합니다.

빛의 굴절

굴절에 대해 생각할 때 일반적으로 공기에서 유리나 물로 들어오는 빛이 각도가 바뀌는 것을 상상할 수 있습니다. 이는 유리와 물이 모두 공기보다 밀도가 높고 굴절률이 더 높아서, 빛이 통과할 때 더 느리게 이동하기 때문입니다. 이러한 속도 변화가 각도 변화를 일으킵니다. 물론, 빛이 밀도가 높은 매질에서 빠져나와 다시 공기로 나가면 속도가 빨라지고 각도가 원래 각도로 돌아갑니다.

그렇다면 굴절은 광섬유 케이블과 무슨 관련이 있을까요? 우리는 레이저에서 생성된 빛이 클래딩을 통과하여 다른 각도로 나가는 것을 방지해야 합니다. 우리의 목표는 빛을 코어 내부에 유지하는 것입니다. 여기서 물리학에 대해 조금 알아보겠습니다. 굴절의 법칙(스넬의 법칙)에 따르면 "임계각"이라는 것이 있습니다. 임계각은 특정 매질에서 굴절이 발생할 수 있는 가장 큰 입사각입니다. 따라서 입사각(빛이 클래딩에 부딪히는 각도)이 임계각보다 작은 경우에만 빛이 굴절됩니다.

입사각이 임계각을 초과하면 광선이 너무 많이 휘어 "전 내부 반사"라는 현상이 발생합니다. 전 내부 반사는 빛이 첫 번째 매질(코어)로 다시 반사되는 것을 의미합니다. 이것이 바로 우리에게 필요한 것입니다. 그래서 클래딩이 없으면 빛은 모든 방향으로 이동하여 코어에서 쉽게 빠져나갑니다. 클래딩의 낮은 굴절률, 코어의 높은 굴절률, 그리고 케이블의 좁은 폭 덕분에 빛은 임계각보다 큰 각도로 클래딩에 부딪히고 계속해서 반사되어 광섬유를 통과하게 됩니다.

NA (Numerical Aperture)

Numerical Aperture(이하 NA)는 광학 시스템이 빛을 받아들이거나 방출할 수 있는 각도 범위를 정량화한 숫자입니다. 단일 렌즈에서는 광학 직경에 비례하고 초점 거리에 반비례합니다. NA는 광학 시스템의 수집 효율성을 측정하는 핵심 기준으로서 일반적으로 다음과 같이 정의됩니다 :

n : 렌즈의 물체쪽 (입사 매질)의 굴절률

수용 원뿔(cone)의 반각

n : 렌즈의 물체쪽 (입사 매질)의 굴절률

D : 직경

f : 초점 거리

모드

빛이 광섬유를 통해 전파될 때, 모든 core-cladding 경계에서 위상 변화가 발생합니다. 빛이 광섬유를 따라 이동할 수 있는 경로(이것을 모드라고 함)의 수는 유한하며, 이를 통해 생성적인(위상이 같고 따라서 가산적인) 위상 변화가 발생하여 전송이 강화됩니다.

0차 모드는 단일 모드 광섬유라고도 하며, 측벽에서 반사되지 않고 광섬유의 길이 방향으로 빛이 이동합니다.

다중 모드 광섬유는 두 개 이상의 모드를 지원하며, 모드의 수는 빛의 파장, 광섬유 코어의 직경과 굴절률에 따라 결정됩니다.

모드 수는 다음 수식으로 관계를 추정할 수 있습니다.

V : 정규화된 주파수 (V-Number)

ɑ : 광섬유 코어 반경

λ : 파장

V-Number가 큰 멀티모드 파이버의 경우 지원되는 모드 수는 다음과 같이 근사됩니다.

예를 들어, Ø105 µm 코어와 0.22 NA 멀티 모드 파이버를 갖춘 파이버는 V 값이 약 46.8이고, 파이버를 통해 동시에 이동할 수 있는 약 1096개의 고유 모드를 지원합니다. 단일 모드 광섬유는 V < 2.405로 정의되며, 이는 빛이 광섬유의 단일 기본 모드에만 결합되는 지점을 나타냅니다.

NA와 광섬유

위에서 잠시 언급했었습니다. 광섬유의 NA는 코어와 클래딩의 굴절률의 상대적 크기에 의해 결정됩니다. 광섬유의 경우 NA는 광섬유를 따라 전송될 수 있는 입사광의 각도 범위를 나타냅니다.

광학 시스템을 둘러싼 매질의 굴절률

: 수용 원뿔의 반각

단일 모드 파이버 (single-mode fiber)의 경우 NA는 일반적으로 0.1 정도이지만 대략 0.05와 0.4 사이에서 결정됩니다. NA가 높을수록 효과적인 모드 영역이 작아지고 굽힘 손실도 작아지지만, 반대로 산란으로 인해 직선 형태에서 전파 손실은 높아집니다. 다중모드 파이버는 보다 높은 NA를 갖는 경우가 많습니다. 크리스탈 광섬유의 경우 매우 높은 NA를 구현할 수 있습니다.

높은 NA는 더 짧은 시간에 더 많은 광자를 수집할 수 있게 해주고, 섬유를 굽힘 손실이 커지기 전에 더 큰 각도로 구부릴 수 있으므로 굽힘 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그리고 NA가 큰 파이버는 더 많은 모드를 지원하기 때문에 빛을 전파하는 가이드 기능도 더 강력하다고 할 수 있습니다. 그렇지만 멀티 모드와 달리 싱글모드 파이버는 NA가 낮아야 합니다. NA가 낮으면 무작위 굴절률 변화의 영향이 커지고 전파 손실이 증가할 수 있다는 단점이 있습니다.

하지만 높은 NA는 굴절률 차이를 증가시키는 데 필요한 파이버 코어의 더 높은 도핑 농도(예: 게르마늄)가 필요해져 산란 손실이 증가할 수 있다는 단점이 있습니다. 동일한 현상이 코어/클래딩 인터페이스에서 불규칙성으로 인해 발생될 수 있는데, 예를 들어, 파이버가 커지는 만큼 제조 과정 중에 초래된 비대칭성으로 인해 섬유 코어가 다소 타원형이 되면 복굴절이 발생하는데, 당연히 NA가 높은 광섬유에서 이런 문제가 더 빈번히 발생됩니다.

Optical fibers	Numerical Aperture	Applications
Single-mode fiber	Typically, 0.1 can vary roughly 0.05 - 0.4	Non-Silica Fiber Splicing Planar Waveguide Coupling Fiber Tails for High NA Sources Dispersion Compensation
Multi-mode fiber	0.3	Medical applications Spectroscopy for pollution analysis and chemical processing

CA (Clear Aperture)

제조 기술의 제약으로 인해 가장자리까지 동일한 수준의 품질을 일정하게 유지하는 광학 장치를 생산하는 것은 사실상 불가능하며, 대신 제조업체는 광학 장치의 품질이 보장되는 직경이나 영역을 사양으로 제시합니다. 이것이 바로 CA (Clear Aperture) 입니다. CA는 밀리미터 단위 또는 전체 표면적의 백분율(%)로 지정되는데, 예를 들어 렌즈의 직경이 100mm이라면 Aperture를 95mm 또는 95%로 지정됩니다. 일반적으로, CA가 크다는 것은 일정하게 유지되어야 하는 성능 특성이 광학 장치의 물리적 가장자리에 점점 더 가까워지기 진다는 것을 의미하기 때문에, CA가 클수록 광학 장치를 생산하기가 더 어렵습니다. 통상적으로 투명 조리개가 80%이면 상업적 품질에 해당하고, 90%이면 정밀 품질, 100%는 최대 제조 허용 오차가 됩니다.

Clear Aperture는 표면 품질과 같은 다른 사양들이 유효한 렌즈 또는 광학 장치의 비율을 정의합니다.

광섬유의 분산

분산은 광섬유의 길이를 따라 전파될 때 광신호가 왜곡되거나 퍼지는 현상을 말합니다. 분산에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.

색채 분산 / Chromatic Dispersion

모달 분산 / Modal Dispersion

편광 모드 분산 / Polarization mode dispersion (PMD)

Single-Mode 섬유의 총 분산은 색수차 및 편광 분산으로 인해 발생하고, MM 섬유에는 모달 분산도 발생시킵니다. 분산은 광신호의 대역폭과 전송 거리를 감소시킵니다.

Chromatic Dispersion

광섬유 내 광신호의 서로 다른 스펙트럼 성분이 서로 다른 속도로 이동하기 때문에 발생됩니다.

Modal Dispersion

모달 분산은 모든 모드의 전파 속도가 다르기 때문에 다중 모드 파이버에서 발생하는 왜곡입니다. 다중 모드 광섬유는 빛이 광섬유를 따라 이동할 수 있는 여러 경로(또는 모드)를 허용하므로, 경로 길이가 긴 모드는 경로 길이가 짧은 모드보다 광섬유 끝에 늦게 도착합니다. 이로 인해 광신호가 시간에 따라 확산됩니다.

다양한 섬유 모드는 섬유를 따라 진행되면서 서로 다른 각도로 반사됩니다. 특히 AOI (Angle Of Incidnet, 입사각)는 광섬유 내부에서 빛이 이동하는 '모드' 또는 경로를 결정합니다. AOI에 따라 이러한 광선 중 일부는 파이버 중심을 직접 통과하고(축 모드), 다른 광선은 설명한 대로 전반사 과정을 통해 클래딩/코어 경계에서 반복적으로 반사됩니다. 코어-클래딩 경계에서 굴절이 발생할 때마다 모달 분산(또는 인터모달 분산)이 발생합니다. 경로가 길수록 모델 분산이 높아집니다.

Polarization Mode Dispersion (PMD)

PMD는 빠른 축과 느린 축을 따라 이동하는 두 개의 직교 편광 상태의 전파 속도가 달라서 광 펄스가 광섬유를 통과할 때 퍼지는 현상을 말합니다. PMD는 섬유 코어의 비대칭성, 응력에 의한 복굴절, 섬유 구조의 다른 불완전성으로 인해 발생합니다. 이러한 요인들은 광섬유의 빠른 축과 느린 축이 약간 다른 굴절률을 갖게 하여 두 가지 편광 상태에 대한 전파 속도에 변화를 초래합니다. 결과적으로, 두 가지 편광 상태를 모두 포함하는 광 펄스는 시간이 지남에 따라 퍼져나가며 펄스가 넓어집니다. 편광 모드가 분산되면서 서로 간섭하고 펄스 확대 효과가 발생하여 신호의 선명도와 명확성이 떨어집니다.

빛의 증폭

LASER의 LA는 "Light Amplification"의 약자로, 이것은 SE "Stimulated Emission”에 의해 완성됩니다. 이제 증폭이 어떻게 이루어지는지 살펴보겠습니다. 앞서 언급했듯이, 광섬유의 코어는 희귀 원소인 이테르븀으로 코팅되어 있습니다. 물리학에서는 이를 "도핑된" 광섬유라고 합니다. 이 도핑된 광섬유의 입자가 빛(광자)과 상호 작용하면 전자가 여기되어 더 높은 에너지 수준으로 상승합니다.

높은 에너지 수준으로 상승한 전자는 곧 원래 수준으로 떨어지지만, 우리는 에너지는 결코 손실되지 않는 것을 잘 알고 있습니다. 전자가 아래로 떨어질 때 광자 형태로 에너지를 방출하여 더 많은(또는 증폭된) 빛을 생성합니다. 하지만 빛 증폭은 거기서 끝나지 않습니다. 파이버 코어에는 "파이버 브래그 격자"(FBG)가 있는데, 간단히 말해서 일정한 거리 마다 간격을 두고 배치된 거울 세트입니다. 이 거울들이 방출된 광자를 앞뒤로 반사합니다.

대부분의 빛 파장은 격자를 통과하지만, 특정 빛 파장은 거울에 의해 반사됩니다. 그리고 반사된 광자가 소스의 다이오드에서 펌핑된 광자의 일정한 흐름에 합류됩니다. 증가한 광자 수는 모두 여기된 입자에 부딪혀 지수적 광 증폭에 개입하게 되고, 순식간에 더 많은 광자들이 생성됩니다.

이러한 자극 방출의 결과로 레이저 빔이 생성됩니다.

초점 빔 변환

자극 방출로 생성된 레이저 빔을 초점 빔으로 만들려면 콜리메이팅 렌즈가 필요합니다. 콜리메이팅은 광선이 평행하고 최소한의 확산을 갖도록 빛을 정렬하는 것을 뜻합니다. 렌즈에 따라 콜리메이팅된 빔은 특정 직경으로 교정되고 특정 지점에 초점을 맞출 수 있습니다. 이렇게 극도로 집중된 빔은 섬유를 통해 공기 중으로 빠져나와 금속판과 접촉하면서 매우 정확한 속도로 금속판을 절단합니다.

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