광섬유 로터리 조인트에 사용되는 저손실 시준기(LOW-LOSS COLLIMATORS FOR USE IN FIBER OPTIC ROTARY JOINTS)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2011-0121632
(43) 공개일자 2011년11월07일
(51) Int. Cl.

G02B 6/40 (2006.01) G02B 27/30 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2011-7021323
(22) 출원일자(국제출원일자) 2009년02월25일
심사청구일자 없음
(85) 번역문제출일자 2011년09월09일
(86) 국제출원번호 PCT/IB2009/000347
(87) 국제공개번호 WO 2010/097646
국제공개일자 2010년09월02일
(71) 출원인
포컬 테크놀러지스 코퍼레이션
캐나다 비3비 1제트4 노바 스코티아 다트무스 프
래지 애브뉴 77
(72) 발명자
오브라이언 마이클
캐나다 비3제트 1씨6 노바 스코티아 어퍼 탠탈론
탠탈론 크레센트 64
스노우 제임스
캐나다 비4에이 4케이6 노바 스코티아 베드포드
로이 아키볼드 드라이브 42
(74) 대리인
박장원
전체 청구항 수 : 총 20 항
(54) 광섬유 로터리 조인트에 사용되는 저손실 시준기
(57) 요 약
삽입 손실에 있어서 향상된 성능을 제공하는, 광섬유 로터리 조인트(20)에 사용되는 광섬유 시준기들이
개시된다. 본 발명의 광섬유 시준기의 한 실시예는 4분의 1 미만 피치를 갖는 굴절율 분포 로드 렌즈(61)를 구비
한다. 삽입 손실에 있어서의 향상은 피치가 감소함에 따른 실효 초점 거리의 증가와 그에 따른 연장된 작동 거리
에 기인한다. 실효 초점 거리의 증가는, 더 전통적인 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈의 후방 초점 거리가 0
인 것과 비교할 때, 렌즈의 후방 초점 거리의 증가를 동반한다. 이러한 후방 초점 거리의 증가는 광섬유(68)가
부착되는 원통형 유리 이격체(64)에 의하여 채워질 수 있는데, 이는 통상적인 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌
즈 시준기에 매우 유사한 형태를 가진 시준기를 얻을 수 있도록 한다. 증가된 후방 초점 거리는 또한 직각 프리
즘(71)에 의해서도 채워질 수 있는데, 이때 광섬유는 렌즈의 광학축에 90˚로 정렬되도록 직각 프리즘에 부착되
고, 원하는 섬유 진입 방향이 로터리 조인트의 회전축에 수직인 팬케이크 스타일 하이브리드 슬립 링들의 응용사
례들에 유용하게 된다.
대 표 도
공개특허 10-2011-0121632
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특허청구의 범위
청구항 1
한 부재가 하나의 회전축을 중심으로 다른 부재에 대하여 상대적으로 회전하도록 장착된 다중 채널 광섬유 로터
리 조인트로서,
상기 부재들 중 하나에 장착된 하나의 제1 광섬유 시준기;
상기 부재들 중 다른 하나에 장착된 하나의 제2 광섬유 시준기; 및
광학적으로 연결된 상기 광섬유 시준기들이 상기 로터리 조인트를 가로지르는 데이터 전송을 위한 하나의 채널
을 제공하고, 상기 부재들 간의 모든 가능한 상대적 각 위치에 대하여 전송 신호 강도에 있어서 최소의 편차를
가질 수 있도록 상기 제1 시준기와 제2 시준기 사이에 광신호 전송을 가능하게 하는, 상기 시준기들 사이의 광
학적 경로를 정의하는 중간 광학 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 2
제1항에 있어서,
다수의 상기 제1 광섬유 시준기들;
다수의 상기 제2 광섬유 시준기들; 및
다수의 데이터 전송 채널들을 형성하기 위하여 상기 제1 광섬유 시준기들 중 대응하는 하나와 상기 제2 광섬유
시준기들 중 대응하는 하나 사이에 구성되는 다수의 중간 광학 요소들을 포함하고,
상기 광섬유 시준기들은 해당 시준 렌즈의 초점면에 인접하도록 배치된 동일한 다중 채널 광섬유들 또는 동일한
단일 모드 광섬유들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 3
제2항에 있어서,
상기 광섬유 시준기들이 동일한 굴절율 분포 로드 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로
터리 조인트.
청구항 4
제3항에 있어서,
상기 데이터 전송 채널들의 시준기들이 다양한 작동 거리들을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터
리 조인트.
청구항 5
제4항에 있어서,
제1 개수의 상기 데이터 전송 채널들이, 원하는 축 방향 형태로 한정되도록 광학적 투명 에폭시를 사용하여 상
기 섬유들에 고정되는 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈에 의하여 이상적인 무 삽입 손실(zero insertion
losses)을 얻을 수 있는 작동 거리를 갖는 광섬유 시준기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유
로터리 조인트.
청구항 6
제5항에 있어서,
제2 개수의 상기 데이터 전송 채널들이, 4분의 1 피치 굴절율 분포 렌즈에 의해서는 이상적인 무 삽입 손실을
얻을 수 없지만, 4분의 1 피치 미만의 굴절율 분포 로드 렌즈들을 사용하여 무 삽입 손실을 얻을 수 있는 작동
거리를 갖는 광섬유 시준기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
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청구항 7
제6항에 있어서,
제3 개수의 상기 데이터 전송 채널들이, 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈에 의해서는 이상적인 무 삽입 손
실을 얻을 수 없지만, 4분의 1 피치 미만의 굴절율 분포 로드 렌즈들을 사용하여 무 삽입 손실을 얻을 수 있는
작동 거리를 갖는 광섬유 시준기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 8
제7항에 있어서,
상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈들은 광학적 투명 에폭시를 사용하여 원통형 유리 이격체들에 고
정되고, 상기 원통형 유리 이격체들의 축 방향 길이는 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 초점면
을 상기 원통형 유리 이격체의 바깥쪽에 상기 원통형 유리 이격체에 인접하게 위치시킬 수 있도록 선택된 것을
특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 9
제8항에 있어서,
상기 원통형 유리 이격체는 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 지름 이하의 지름을 갖는 것을 특
징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 10
제9항에 있어서,
상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈들 및 원통형 유리 이격체들은, 후방 반사를 최소화하기 위하여,
상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축에 수직이 아닌 방향으로 연마된 단부들을 갖는 것을
특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 11
제10항에 있어서,
상기 광학 섬유들이 광학적 투명 에폭시를 사용하여 원통형 유리 이격체들에 고정되는 것을 특징으로 하는 다중
채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 12
제11항에 있어서,
상기 광섬유 시준기들은, 원하는 축 방향 형태에 부합되는 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈들,
상기 원통형 유리 이격체들, 및 광학 섬유들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 13
제7항에 있어서,
상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈들이 광학적 투명 에폭시에 의하여 정육면체 반사 프리즘들에 고
정되는데, 이때 상기 정육면체 반사 프리즘의 폭은 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 초점면이
상기 정육면체 반사 프리즘의 물리적인 바깥에 위치하도록 선택되고, 이에 따라 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율
분포 로드 렌즈의 광학축이 90˚ 굴절되는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 14
제13항에 있어서,
상기 정육면체 반사 프리즘들은 준비된 유리 기판에 도포된 고 반사 금속 코팅과, 상기 고 반사 금속 코팅에 광
학적 투명 에폭시를 이용하여 고정된 제2 유리 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리
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조인트.
청구항 15
제14항에 있어서,
상기 광학 섬유들은 광학적 투명 에폭시를 사용하여 상기 정육면체 반사 프리즘에 고정되고, 상기 광학 섬유의
축들은 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축에 90˚로 정렬되는 것을 특징으로 하는 다중
채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 16
제15항에 있어서,
상기 정육면체 반사 프리즘들 중 하나가 동일한 광학 경로 길이를 가진 원통형 유리 이격체로 대체되고, 상기
광학 섬유는 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축에 평행하도록 정렬되는 것을 특징으로 하
는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 17
제7항에 있어서,
상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈들은 광학적 투명 에폭시를 사용하여 직각 프리즘들에 고정되고,
상기 직각 프리즘들의 폭은 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 초점면을 상기 직각 프리즘의 물
리적인 바깥에 위치시키도록 선택되며, 이에 따라 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축들이
90˚ 굴절되는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 18
제17항에 있어서,
상기 직각 프리즘들은 표준 직각 프리즘의 빗면에 도포된 고 반사 다층 유전성 코팅을 포함하는 것을 특징으로
하는 다중 채널 광섬유 로터리 조인트.
청구항 19
제18항에 있어서,
상기 광학 섬유들은 광학적 투명 에폭시를 사용하여 직각 프리즘들에 고정되고, 상기 광학 섬유 축들은 상기 4
분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축들에 대하여 90˚로 정렬되는 것을 특징으로 하는 다중 채널
광섬유 로터리 조인트.
청구항 20
제19항에 있어서,
상기 직각 프리즘들 중 하나가 동일한 광학 경로 길이를 가진 원통형 유리 이격체로 대체되고, 상기 광학 섬유
는 상기 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축에 평행하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 다중
채널 광섬유 로터리 조인트.
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 포괄적으로 광섬유 로터리 조인트 및, 더욱 자세하게는, 광섬유 로터리 조인트에서 사용되는 향상된[0001]
저손실 시준기(collimator)에 관한 것이다.
배 경 기 술
광섬유 로터리 조인트("FORJ": fiber optic rotary joint)는 통상적으로 하나의 고정자에 대하여 상대적으로 하[0002]
나의 축을 중심으로 회전 운동을 하도록 장착된 하나의 회전자를 구비한다. 광섬유들은 각각 회전자 및 고정자
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와 통신한다. 광신호는 회전자와 고정자 사이에서 양방향으로, 즉 회전자로부터 고정자로, 또는 그 역방향으로
전송되도록 구성된다.
기존에 존재하는 많은 수의 응용사례들에서, 로터리 인터페이스의 송신부에서 하나의 광섬유에 전달되는 데이터[0003]
스트림은 상기 인터페이스를 가로지르는 시준 렌즈(collimating lens)를 통과하고, 강한 신호 강도와 함께 회전
자와 고정자 사이의 모든 상대적 각 위치에서 최소한의 신호 강도 편차를 갖도록 전달된다. 그렇게 전송된 데이
터 스트림은 또 다른 시준 렌즈를 통해 상기 인터페이스의 수신부의 다른 광섬유 속으로 유도될 수 있다. 일부
응용사례들에서, 인터페이스 송신부의 광섬유는 수신부의 특정 광섬유에 영구적으로 할당된다.
송신 및 수신 섬유들은 다중모드 또는 단일모드일 수 있다. 만약 다수의 채널들이 있는 경우에는, 다중모드 섬[0004]
유 쌍 및/또는 단일모드 섬유 쌍들에서 전달되는 데이터 스트림들의 조합이 있을 수 있다. 일부 경우들에서는,
많은 양의 데이터가 파장분할다중화("WDM": wavelength division multiplexing)와 같은 적절한 기술에 의해
FORJ를 통하여 전송될 수 있다.
노라 스코티아 리서치 파운데이션 콥.(Nora Scotia Research Foundation Corp.)에 의해 등록된 미국 특허 제[0005]
4,725,116호의 도 5에 보인 바와 같이, 다중 채널 FORJ의 회전자는 축에서 떨어져 회전하는 제1 채널
시준기(즉, 굴절율 분포 로드 렌즈(graded-index rod lens)), 및 제1 채널 시준기 및 고정자로부터 축 방향으로
연속되도록 배치된 다양한 위치에 있는 다수의 추가적인 축외 회전 채널 시준기들을 구비할 수 있다. 이러한 다
양한 시준기들은 모두 FORJ의 회전축으로부터 방사상으로 떨어져 있다. 모든 시준기들은, 시준기로부터 방출되
는 연장 빔들의 축들이 그 광학 경로의 일부 영역들에서 FORJ의 회전축에 평행하게 만들어지도록 배열된다. 미
국 특허 제4,725,116호의 전체 개시 내용은 본 명세서에서 참조 인용되었다.
제1 채널 연장 빔(expanding beam)은 방사상 방향으로 전송되어 제1 하우징으로 들어가고, 그곳에서 축 방향으[0006]
로 거울에 반사되며, 이후 또 다른 시준기(즉, 또 다른 굴절율 분포 로드 렌즈)에 의해 고정자에 장착된 고정
섬유 속으로 초점이 모아진다. 이는 제1 채널을 완성하고, 송신 섬유와 수신 섬유 사이에서 높고 안정된 강도의
신호들의 전송을 가능하게 한다. 상기 빔이 조준된 상태를 유지해야 하는 거리를 이후부터는 "작동 거리"라고
칭한다.
제2 채널 축외(off-axis) 연장 빔은 방사상 방향으로 전송되어, 제1 채널 하우징에 비해 고정자로부터 축 방향[0007]
으로 멀리 위치한 제2 채널 하우징 속으로 들어간다. 상기 제2 채널 하우징 안에서 제2 채널 연장 빔은 거울에
의해 반사되어 축 방향으로 반사된 후, 두 개의 추가적인 거울들에 의해 중심을 벗어난 위치로 다시
반사되는데, 이 때 빔은 회전축과 평행하게 된다. 이어서 상기 빔은 또 다른 시준 렌즈에 의해 집속되어 고정자
에 장착된 고정 섬유 속으로 보내진다. 이는 제2 채널을 완성하고, 두 개의 섬유들 사이에서 높고 안정된 강도
의 신호들의 전송을 가능하게 한다. 상기 제2 채널은 고정자로부터 멀리 떨어져 있기 때문에, 제2 채널 빔은 제
1 채널 빔의 경우에 비해 더 먼 거리에서 조준된 상태를 유지하여야 한다.
제3 채널 연장 빔은 방사상 방향으로 전송되어, 제1 하우징 및 제2 하우징에 비해 고정자로부터 축 방향으로 더[0008]
욱 멀리 위치한 제3 하우징 속으로 들어간다. 상기 제3 채널 하우징 안에서 제3 채널 연장 빔은 축 방향으로 반
사된 후, 두 개의 추가적인 거울들에 의해 또 다른 비중심 위치(즉 제2 채널과 일치하지 않는 위치)로 다시 반
사되는데, 이 때 빔은 회전축과 평행하게 된다. 상기 제3 빔은 제1 및 제2 하우징의 개구부를 통과하게 되고,
이어서 또 다른 시준 렌즈에 의해 집속되어서 고정자에 장착된 또 다른 고정 섬유 속으로 보내진다. 상기 채널
은 고정자로부터 더욱 멀리 떨어져 있기 때문에, 제3 채널 빔은 제2 채널 빔의 경우에 비해 더 먼 거리에서 조
준된 상태를 유지하여야 한다.
제4 및 제5 채널들도 유사한 구성을 따른다. 더욱 자세하게는, 제5 채널 연장 빔의 작동 거리가 제4 채널 연장[0009]
빔의 작동 거리보다 크고, 제4 채널의 작동 거리가 제3 채널보다 크고, 제3 채널의 작동 거리가 제2 채널보다
크고, 제2 채널의 작동 거리가 제1 채널보다 크다.
제2, 제3, 및 그 이상의 채널 하우징들은 기계적으로 유사하다. 이러한 점에서, 상기 FORJ의 n-채널 실시예의[0010]
방사상 방향의 크기는 다른 m-채널 FORJ와 동일하지만, n-채널 FORJ의 축 방향 길이는 FORJ의 채널 개수에 직접
비례한다.
다중 채널 FORJ는 단일 모드 섬유 시준기를 사용한 다중 채널 단일 모드 FORJ를 얻기 위하여도 사용될 수 있다.[0011]
단일 모드 섬유는 오직 기본적인 섬유 모드의 전송만을 지원하는데, 이는 섬유의 광학축에 수직인 평면상에서
수학적으로 베젤 함수(Bessel function)라고 묘사되는 강도 분포를 갖는다. 그러나 널리 알려져 있듯이, 상기
분포는 영차 허미트-가우시안(zero-order Hermite-Gaussian) 빔 강도 분포로 근사화(approximated)될 수 있고,
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아래에서는 "가우시안 빔"으로 칭하기로 한다. 단일 모드 섬유는 절단(cleaved)되고 연마(polished)된다. 섬유
단부에서 빛의 파면(wavefront)은 무한 곡률반경을 가진 가우시안 빔 웨이스트(Gaussian beam waist)와 동일하
고, 섬유 단부로부터 발산성 가우시안 빔으로 전파되어 나간다. 만약 섬유 단부가 렌즈의 초점면(focal plane)
에 근접해 있으면, 그 렌즈는 발산성 가우시안 빔을 평행 가우시안 빔으로 변환시킨다. 이는 근축 가우시안 빔
전파(paraxial Gausian beam propagation) 계산 방법으로 결정될 수 있는 렌즈의 다른 초점면으로부터의 일정거
리에 있는 무한 곡률반경을 가진 평행 빔 웨이스트에서 진정한 콜리메이션(collimation)을 이룬다.
만약 동일한 제2 시준기가, 그 자신의 평행 빔 웨이스트 위치가 제1 시준기의 평행 빔 웨이스트 위치와 동일하[0012]
면서도 시준기의 방향은 180도 뒤집혀지도록 배치되면, 상기 제2 시준 렌즈는 상기 평행 가우시안 빔을 빔 웨이
스트가 제2 섬유 단부에 놓이도록 하는 수렴성 가우시안 빔으로 변환시키고, 제2 섬유로 들어가는 빛의 커플링
(coupling)을 최적화시킨다. 이상적으로는, 최적 연결 효율이 1, 즉 삽입 손실(insertion loss)이 없다. 그러나
불완전 정렬(예를 들어, 평행 빔 웨이스트의 위치에 있어서 축 방향 오차)이 존재하는 경우, 상기 광학 시스템
의 삽입 손실을 결정하기 위하여 커플링 계산방법이 이용될 수 있다. 무 삽입 손실은 오직 완벽하고 얇은 렌즈
들을 사용함으로써만 얻어질 수 있는데, 실제 렌즈들(예를 들어, 다양한 수차 및 인덱스 불일치를 가진 렌즈
들)을 사용하는 것은 획득 가능한 최소 삽입 손실을 다양한 정도로 증가시킨다.
상기 계산 결과가 도 1a에 도시되어 있는데, 최대 무손실 값 로 정규화된 섬유에서 렌즈 초점면까지의 거[0013]
리(세로축)에 대한, 최대 무손실 값 로 정규화된 렌즈 초점면에서 렌즈 초점면까지의 거리(작동 거리)
(가로축)의 플롯을 보여준다. 도 1a는 두 개의 동일한 단일모드 시준기들이 사용되었음을 가정하고 있다. 주어
진 일정 파장( ), 섬유 모드 필드 반경( ), 렌즈 실효 초점거리( )의 빛에 있어서, 시준 렌즈들의 조준된 빔
에 가까운 쪽 초점면들 사이에서 측정되었을 때, 과 동일한 손실이 없도록 할 수 있는, 최대 작동 거리
또는 두 개의 시준기들 사이의 분리 거리가 존재한다. 이러한 최대 무손실 작동 거리에서는, 시준 렌즈들의 섬
유에 가까운 쪽 초점면들을 기준으로 섬유 거리가 측정될 때, 섬유 거리들 각각은 가우시안 빔의 레이레이 길이
(Rayleigh length), 과 일치하게 된다. 시준 렌즈들의 평행 빔에 가까운 쪽 초점면들로부터 측정되었을
때의 작동 거리가 영일 때는, 시준 렌즈들의 섬유에 가까운 쪽 초점면들로부터 측정되었을 때의 섬유 거리들 각
각도 영이 된다.
최대 무손실 작동 거리보다 작은 작동 거리의 경우에, 무 삽입 손실이 계산되는 두 개의 최적 섬유 거리들이 존[0014]
재한다. 하나는 레이레이 길이 보다 작고, 다른 하나는 레이레이 길이보다 크다. 일반적으로 두 개의 광섬유 거
리들 중 더 작은 것을 선택하는 것이 바람직한데, 이는 이러한 시준기 쌍은 더 작은 삽입 손실을 가지고 더 넓
은 범위의 작동 거리를 위해 사용될 수 있기 때문이다. 상기 최대값보다 큰 작동 거리의 경우에는, 레이레이 길
이보다 작은 섬유 거리로 최적의 삽입을 얻을 수 있지만, 이러한 최적의 삽입 손실 값은 작동 거리와 함께 급격
하게 증가한다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명의 일반적인 목적은 향상된 저손실 시준기를 제공하는 것이다.[0015]
또 다른 목적은 광섬유 로터리 조인트에서 사용하기 위한 저손실 시준기를 제공하는 것이다.[0016]
과제의 해결 수단
한정적이지 않고 단지 예시적인 목적으로, 개시된 실시예의 부재, 부분, 또는 표면들을 괄호 안에 표기한 도면[0017]
부호들을 이용하여 참조함으로써, 본 발명은, 하나의 부재(예, 회전자)(49)가 다른 부재(예, 고정자)(21)에 대
하여 상대적으로 하나의 회전축(x-x)을 중심으로 회전할 수 있도록 장착된, 다중 채널 광섬유 로터리 조인트
(20)를 제공한다. 향상된 조인트는 포괄적으로, 상기 부재들 중 하나에 장착된 제1 광섬유 시준기(61); 상기 부
재들 중 다른 하나에 장착된 제2 광섬유 시준기(61); 및 상기 부재들 사이에서 모든 가능한 상대적 각 위치에
대하여 전송된 신호의 강도에 있어서 최소 편차를 가지고, 제1 시준기와 제2 시준기 사이에서 광 신호의 전송을
가능하게 하는, 상기 시준기들 간의 광학 경로를 정의하는 조정용 광학 요소(intervening optical element)(46,
44)들을 포함하는데, 이렇게 광학적으로 연결된 시준기들은 로터리 조인트를 가로지르는 데이터 전송을 위한 하
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나의 채널을 제공한다.
상기 향상된 조인트는 또한, 다수의 제1 광섬유 시준기(61)들; 다수의 제2 광섬유 시준기(61); 및 다수의 데이[0018]
터 전송 채널들을 정의하기 위하여 제1 광섬유 시준기들 중 대응하는 하나와 제2 광섬유 시준기들 중 대응하는
하나 사이에 존재하는 다수의 조정용 광학 요소(46, 44)들을 추가로 포함할 수 있고, 이때 상기 광섬유 시준기
들은, 각각 연계된 시준 렌즈의 초점면에 인접하여 위치하는 동일한 다중모드 광섬유들 또는 동일한 단일모드
광섬유들을 포함한다.
광섬유 시준기(61)들은 동일한 굴절율 분포 로드 렌즈(62)들을 포함할 수 있다.[0019]
데이터 전송 채널들의 시준기들은 다양한 작동 거리를 가질 수 있다.[0020]
제1 그룹의 다수의 데이터 전송 채널들은, 광학적 투명 에폭시(epoxy)(65)로 섬유들에 고정되고 원하는 축 방향[0021]
형태를 확정하는, 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈(62)를 이용하여 이상적인 무 삽입 손실이 성취될 수 있
는 작동 거리를 가진 광섬유 시준기(61)들을 포함한다.
제2 그룹의 다수의 데이터 전송 채널들은, 4분의 1 피치 굴절율 분포 렌즈를 이용해서는 무 삽입 손실이 성취될[0022]
수 없지만, 4분의 1 피치 미만의 굴절율 분포 로드 렌즈(62)들을 이용해서는 성취될 수 있는 작동 거리들을 갖
는 광섬유 시준기(61)들을 포함한다.
제3 그룹의 다수의 데이터 전송 채널들은, 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈 또는 4분의 1 피치 미만의 굴절[0023]
율 분포 로드 렌즈를 이용해서도 무 삽입 손실이 성취될 수는 없는 작동 거리를 갖지만, 4분의 1 피치 미만의
굴절율 분포 로드 렌즈(62)들을 이용하여 용납 가능한 수준의 영이 아닌 삽입 손실을 성취할 수 있는 작동 거리
를 갖는 광섬유 시준기(61)들을 포함한다.
4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈(62)는 적절한 광학적 투명 에폭시(63)를 사용하여 통해 원통형 유리[0024]
이격체(64)에 고정될 수 있고, 원통형 유리 이격체의 축 방향 길이는, 4분의 1 피치 미만의 굴절율 분포 로드
렌즈의 초점면(62c, 62d)들 중 원통형 유리 이격체 측 초점면을 원통형 유리 이격체의 물리적 외부에 위치시키
도록 선택될 수 있다.
원통형 유리 이격체(64)들은 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 지름과 동일하거나 그 미만인 지름을[0025]
가질 수 있다.
4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈(61) 및 원통형 유리 이격체(64)는, 후방 반사를 최소할 목적으로, 4[0026]
분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학 축에 수직이 아닌 방향으로 연마된 단부 면들을 가질 수 있다.
광학 섬유들은 적절한 광학적 투명 에폭시(65)를 사용하여 원통형 유리 이격체들에 고정될 수 있다.[0027]
광섬유 시준기들은 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈(62), 원통형 유리 이격체(64), 및 원하는 축 방향[0028]
형태에 일치하는 광학 섬유(68)를 포함할 수 있다.
4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈(70)들은 적절한 광학적 투명 에폭시(74)를 이용하여 큐브형 반사 프[0029]
리즘(71)에 고정될 수 있고, 큐브형 반사 프리즘의 폭은 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 초점면을
큐브형 반사 프리즘의 물리적 외부에 위치시키도록 선택되며, 따라서 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈
의 광학 경로는 90도로 굴절된다.
큐브형 반사 프리즘들은 준비된 유리 기판에 적용된 고반사 금속성 코팅(79), 그리고 적절한 광학적 투명 에폭[0030]
시를 사용하여 고반사 금속성 코팅에 고정된 제2 유리 기판을 포함할 수 있다.
광학 섬유들은, 광학 섬유의 축들이 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈들의 광학축에 90도가 되는 방향[0031]
이 되도록, 적절한 광학적 투명 에폭시를 이용하여 큐브형 반사 프리즘에 고정될 수 있다.
큐브형 반사 프리즘들 중 하나는 동일한 광학 경로 길이를 갖는 원통형 유리 이격체로 대체될 수 있는데, 이때[0032]
광학 섬유는 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학 축에 평행하도록 정렬된다.
4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈(78)들은 적절한 광학적 투명 에폭시(82)를 이용하여 직각 프리즘(7[0033]
9)에 고정될 수 있는데, 직각 프리즘의 폭은 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 초점면이 직각 프리즘
의 물리적 외부에 위치하도록 선택되고, 따라서 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈들의 광학 경로는 90
도 굴절된다.
직각 프리즘들은 경사면에 적용된 고반사 다층 유전성 코팅(highly-reflective multi-layer dielectric[0034]
공개특허 10-2011-0121632
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coating)(79a)을 포함할 수 있다.
광학 섬유들은, 광학 섬유의 축이 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축에 대하여 90도로 정렬되[0035]
도록, 적절한 광학적 투명 에폭시를 이용하여 직각 프리즘에 고정될 수 있다.
직각 프리즘들 중 하나는 동일한 광학 경로 길이를 갖는 원통형 유리 이격체로 대체될 수 있는데, 이때 광학 섬[0036]
유는 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축에 평행하도록 정렬된다.
다중 채널 FORJ의 바람직한 실시예는, D > C > B > A > 1 이라고 할 때, 아래의 세 가지 범주 안에 속하는 1,[0037]
..., A, A+1, ..., B, B+1, ..., C, C+1, ..., D 채널들을 필요로 할 수 있다는 사실을 알 수 있다:
1. 채널 1 내지 채널 A로서, 위에서 설명한 바와 같이 무 삽입 손실이 성취될 수 있고 4분의 1 피치 굴절율 분[0038]
포 로드 렌즈로 얻어질 수 있는 작동 거리보다 작은 시준기 작동 거리를 필요로 하는 채널.
2. 채널 A+1 내지 채널 C로서, 위에서 설명한 바와 같이 영이 아닌 삽입 손실이 성취될 수 있고 4분의 1 피치[0039]
굴절율 분포 로드 렌즈로 얻어질 수 있는 최대 작동 거리보다 큰 시준기 작동 거리를 필요로 하지만, FORJ의 사
양에 비추어 영이 아닌 삽입 손실이 용납 가능한 수준인 채널.
3. 채널 C+1 내지 채널 D로서, 위에서 설명한 바와 같이 영이 아닌 삽입 손실이 성취될 수 있고 4분의 1 피치[0040]
굴절율 분포 로드 렌즈로 얻어질 수 있는 최대 작동 거리보다 큰 시준기 작동 거리를 필요로 하지만, FORJ의 사
양에 비추어 용납 가능하지 않은 영이 아닌 삽입 손실 값을 갖는 채널.
미국 특허 제4,725,116호에서, 시준기들은 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈들을 이용하여 구성되었다. 이러[0041]
한 렌즈들은 이 렌즈의 초점면이 렌즈의 물리적 단부와 일치하기 때문에 바람직하다. 섬유를 상기 렌즈에 부착
시키는 것은, 예를 들어 적절한 자외선 응고 에폭시(UV-cured epoxy)를 이용하여 쉽게 성취될 수 있다. 최대 무
손실 작동 거리보다 작은 작동 거리의 경우에, 두 개의 최적 섬유 거리들 중 더 짧은 쪽을 선택하는 것은, 작은
섬유와 렌즈 사이의 거리를 빔의 레이레이 길이보다 작게 만든다. 최대 무손실 작동 거리보다 큰 작동 거리의
경우, 유일한 최적 섬유 거리는, 위에서와 유사하게, 빔의 레이레이 길이보다 작다. 공기로 채워진 간격의 경우
에, 단일모드 섬유의 단부로부터 나오는 빔의 레이레이 길이는 일반적으로 수십 마이크론이다. 이렇게 작은 간
격은 광학적 투명 에폭시로 유익하게 채워져서, 광학적 투명 에폭시의 굴절율과 동일한 승수값으로 상기 간격을
배로 증가시킨다. 이는 오염을 방지하도록 섬유 단부가 에폭시로 감싸지고, 시준 렌즈의 광학축을 중심으로 방
사상 방향으로 대칭적인, 일체로 이루어진 시준기 조립체를 만들 수 있게 한다.
굴절율 분포 로드 렌즈의 피치를 감소시키는 것은 렌즈의 실효 초점 거리를 증가시키고, 이는 다시 위에서 설명[0042]
한 바와 같이 렌즈의 최대 무손실 작동 거리를 증가시킨다. 예를 들어, 4분의 1 피치 및 1550 nm에서, 셀폭
SLW-1.8 렌즈(셀폭(Selfoc)은 일본 도쿄 미나토구 카이간 2초메 1-7반지에 소재한 닛폰 이타가라스 가부시키가
이샤의 등록상표)는 1.98 mm의 실효 초점 거리, 4.8 mm의 길이, 및 0 mm의 후방 초점 거리를 갖는다. 만약 필드
반경 5.2 μm 및 1550 nm의 모드에서 SMF-28 단일모드 광섬유(SMF-28은 미국 뉴욕 코닝 리버프론트 플라자 1번
지에 소재한 코닝 인크.의 등록상표)를 사용한다면, 위에서 설명한 계산방법에 따라 렌즈들 각각으로부터 54.8
μm의 최적 섬유 거리(공기 중)와 함께 68.0 mm의 최대 무손실 작동 거리를 얻을 수 있다.
굴절율 분포 렌즈의 피치를 예를 들어 0.11로 감소시키는 것은, 3.01 mm의 실효 초점 거리, 2.11 mm의 길이, 및[0043]
2.32 mm의 후방 초점 거리를 유발한다. 이때 위에서 설명한 계산방법에 따라 렌즈들 각각의 단부들로부터 2.37
mm의 섬유 거리(공기 중)와 함께 165 mm의 최대 무손실 작동 거리를 얻을 수 있다. 이와 같은 큰 섬유 거리는
광학적 투명 에폭시로 완전히 채우기 어렵다. 그러나 렌즈와 유사한 지름의 원통형 유리 이격체는, 예를 들어
자외선 응고 에폭시를 이용하여 짧아진 렌즈의 섬유 쪽 면에 부착될 수 있다. 상기 유리 이격체는 해당 렌즈의
초점면과 해당 이격체의 단부가 일치하게 하는 축 방향 길이를 갖는다. 이 경우에, 상기 이격체로부터의 최적
섬유 거리(공기 중)는 다시 빔의 레이레이 길이와 같고, 예를 들어 자외선 응고 에폭시로 채워질 수 있는 이점
이 있다. 이는 시준 렌즈의 광학 축을 중심으로 방사상 대칭인 시준기 조립체를 제공하고, 따라서 표준 굴절율
분포 로드 렌즈 시준기와 동일한 원형의 형태에 부합한다. 이는 미국 특허 제 4,725,116호에 따른 FORJ의 바람
직한 실시예이지만, 낮은 삽입 손실과 함께 긴 작동 거리를 가능하게 한다.
굴절율 분포 렌즈 피치의 감소는 시준기 축 방향 길이가 소량 변화하도록 만든다. 상기 예를 이용하면, 0.11 피[0044]
치 셀폭 SLW-1.8 렌즈는 대략 2.11 mm의 축 방향 두께를 갖고, 2.32 mm의 후방 초점 거리를 갖는다. 예를 들어
1.5의 굴절율을 갖는 유리 이격체를 사용하는 것은, 렌즈의 후방 초점 거리와 이격체 재료의 굴절율을 곱한 값
(이 예의 경우 3.48)과 동일한 축 방향 두께를 갖고, 렌즈-이격체 조립체의 축 방향 총 길이가, 4분의 1 피치
셀폭 SLW-1.8 렌즈 자체로서의 4.8 mm 와 비교하여, 5.6 mm에 이르게 된다. 다른 이격체 재료들을 사용하는 것
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은 렌즈-이격체 조립체의 축 방향 전체 길이를 변화시킨다. 그러나 그 길이에 있어서 편차의 범위는 작을 것이
다. 예를 들어, 1.4의 굴절율을 갖는 유리 이격체 재료를 사용하는 것은 렌즈-이격체 조립체가 대략 5.4 mm의
축 방향 길이를 갖도록 한다. 1.6의 굴절율을 갖는 유리 이격체 재료를 사용하는 것은 렌즈-이격체 조립체가 대
략 5.8 mm의 축 방향 길이를 갖도록 한다.
상기 시준기 조립체에 적용 가능하도록 사용될 수 있는 단피치(short-pitch) 굴절율 분포 렌즈의 피치에 대한[0045]
하한이 존재한다. 제1 제약 조건은, 유리 실린더가 연마될 수 있어야 하고 그리고/또는 반사방지 표면처리가 적
용되어야 하는데 따른 축 방향 두께에 주어진 물리적 한계이다. 제2 제약 조건은, 단피치 굴절율 분포 렌즈의
개구수(numerical aperture)의 변화에 의한 것이다. 렌즈 자체의 굴절율 분포로부터 계산되거나 더욱 간단하게
는 렌지의 반지름을 실효 초점 거리로 나눔으로써 계산할 수 있듯이, 4분의 1 피치에서 셀폭 SLW-1.8 랜즈는
0.46의 개구수를 갖는다. 렌즈의 실효 초점 거리가 증가함에 따라, 상기 개구수는 감소한다. 상기 0.11 피치 셀
폭 SLW-1.8 렌즈의 경우에, 개구수는 0.30이 되고, 이는 코닝 SMF-28 단일모드 섬유의 1% 강도 개구수인 0.14보
다 여전히 크다.
삽입 손실의 향상도 실험을 통하여 밝혀졌다. 두 개의 표준 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈들이 150 mm의[0046]
작동 거리를 갖는 시준기 쌍을 만드는 데 사용되었다. 원하는 작동 거리는 최대 무손실 작동 거리인 68 mm의 대
략 2.2배이고, 이에 따라 삽입 손실은 대략 2.5 dB인 것으로 계산될 수 있다. 광섬유 로터리 조인트에서 이러한
작동 거리를 필요로 하는 시준기 쌍을 이용하는 경우, 삽입 손실은 대략 6 dB 정도로 측정된다. 제2 시준기는
0.11 굴절율 분포 로드 렌즈들을 이용하여 구성되었는데, 동일한 작동 거리를 갖는다. 반복하지만, 이론적으로
예상되는 삽입 손실은 도 3으로부터 결정될 수 있다. 원하는 작동 거리는 최대 무손실 작동 거리인 165 mm보다
작고, 삽입 손실은 0 dB로 산정된다. 이러한 시준기 쌍을 상기 작동 거리가 필요한 동일한 광섬유 로터리 조인
트에 사용하는 경우에는 대략 2.5 dB의 삽입 손실이 측정되어 3.5 dB 만큼 향상된다. 이러한 향상은 이론적으로
예상되는 것보다 큰 것인데, 이는 두 개의 시준기 쌍들 간의 실제 거리 및 로터리 조인트 내의 필요 작동 거리
의 편차에서 기인한 것이다.
위에서 설명한 다중 채널 FORJ의 바람직한 실시예를 참조하면, 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈들을 사용하는 시[0047]
준기들을 통합하면 그 결과 다음의 네 가지 범주들 중 하나에 속하는 채널들을 얻게 된다.
1. 채널 1 내지 채널 A로서, 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈에 의해 얻어질 수 있는 작동 거리보다 작은[0048]
시준기 작동 거리를 필요로 하고 위에서 계산된 것처럼 무 삽입 손실이 성취될 수 있는, 즉 단피치 굴절율 분포
로드 렌즈들을 통합시킨 후에도 삽입 손실에 있어서 향상이 없는 채널들.
2. 채널 A+1 내지 채널 B로서, 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈에 의해 얻어질 수 있는 작동 거리보다 큰[0049]
시준기 작동 거리를 필요로 하여, 위에서 계산한 것처럼 영이 아닌 삽입 손실이 얻어질 수 있는 채널들. 이때
영이 아닌 삽입 손실은 FORJ의 사양에 비추어 용납 가능한 수준이지만, 주어진 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈에
의해 얻어질 수 있는 작동 거리보다는 작은 시준기 작동 거리를 추가로 필요로 한다. 단피치 굴절율 분포 로드
렌즈들을 결합한 후에는, 전술한 바와 같이 무 삽입 손실이 계산되어, 삽입 손실에서의 향상을 가진다.
3. 채널 B+1 내지 채널 C로서, 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈에 의해 얻어질 수 있는 작동 거리보다 큰[0050]
시준기 작동 거리를 필요로 하고, 위에서 계산한 것처럼 영이 아닌 삽입 손실이 얻어질 수 있고, 이러한 영이
아닌 삽입 손실은 FORJ의 사양에 비추어 용납 가능한 수준이지만, 주어진 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈에 의해
얻어질 수 있는 작동 거리보다는 더 작은 범위에서 큰 시준기 작동 거리를 추가로 필요로 하여, 이 경우 위에서
계산된 것처럼 더 작은 영이 아닌 삽입 손실이 얻어지는, 즉 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈들을 결합한 후에는
삽입 손실에 있어서의 향상을 갖게 되는 채널들.
4. 채널 C+1 내지 채널 D로서, 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈에 의해 얻어질 수 있는 최대 작동 거리보다[0051]
큰 시준기 작동 거리를 필요로 하고, 위에서 계산된 것처럼 영이 아닌 삽입 손실이 얻어질 수 있고, 이러한 영
이 아닌 삽입 손실은 FORJ의 사양에 비추어 용납 가능한 수준을 넘어서지만, 주어진 단피치 굴절율 분포 로드
렌즈에 의해 얻어질 수 있는 작동 거리보다는 더 작은 범위에서 큰 시준기 작동 거리를 추가로 필요로 하여, 이
경우 영이 아닌 삽입 손실은 FORJ의 주어진 사양에 비추어 용납 가능한 수준, 즉 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈
들을 결합한 후에는 용납 가능한 수준의 삽입 손실을 갖는 채널의 수가 증가되도록 구성된 채널들.
따라서 채널 1 내지 채널 A는 굴절율 분포 로드 렌즈의 피치를 줄임으로써 향상되지 않는다는 것이 명백해진다.[0052]
이러한 채널들의 경우에는, 시준기가 더 만들기 간단하기 때문에, 4분의 1 피치 굴절율 분포 로드 렌즈들을 계
속 사용하는 것이 이롭다. 또한 채널 A+1 내지 채널 C는 굴절율 분포 로드 렌즈의 피치를 줄임으로써 향상될 수
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있다는 것이 명백하다. 단, 이러한 채널들을 위한 굴절율 분포 로드 렌즈들의 피치를 줄이는 것은, 삽입 손실을
줄일 필요가 있는 경우에만 이점이 있다. 더 나아가, 채널 C+1 내지 채널 D의 경우에는, FORJ에 결합되어 삽입
손실에 있어서 필요한 사양을 충족시키기 위하여, 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈들을 사용하는 것이 필요하다는
사실이 명백해진다.
잘 알려져 있는 것처럼, 위에서 참조된 SLW-1.8 렌즈보다 더 긴 실효 초점 거리를 가진 다른 4분의 1 피치 굴절[0053]
율 분포 로드 렌즈들이 존재한다. 그러한 렌즈들의 예들은, 1550 nm에서 각각 3.11 mm 및 4.19 mm의 실효 초점
거리를 갖춘 셀폭 SLW-3.0 렌즈 및 셀폭 SLW-4.0 렌즈을 포함한다. 이러한 렌즈들은 각각 176 nm 및 320 nm의
무손실 최대 작동 거리를 제공하는데, 이는 위에서 계산된 0.11 피치 SLW-1.8 렌즈의 무손실 최대 작동 거리보
다 훨씬 길다.
그러나 상기 대안적인 렌즈들은 각각 3.0 mm 및 4.0 mm의 지름을 가지고 있다. 미국 특허 제 4,725,116호에 개[0054]
시된, 4분의 1 피치 SLW-1.8 렌즈로 설계된 하나의 실시예는, 더 긴 작동 거리를 요구하는 하는 단피치 SLW-1.8
렌즈 및 이격체를 결합하기 위하여 어떤 재설계도 필요로 하지 않는다. 즉, 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈들을
사용하기 위해 필요한 상기 채널들의 하우징은 여전히 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈들의 사용을 필요로 하지
않는 기존 채널들의 하우징과 동일하다.
굴절율 분포 로드 렌즈의 피치를 감소시키는 것은 렌즈의 후방 초점 거리를 증가시키고, 이는 비축 대칭 시준기[0055]
(non-axially symmetric collimator)를 허용하기에 충분하게 큰 섬유-렌즈 간격을 제공한다. 단피치 굴절율 분
포 로드 렌즈의 증가된 후방 초점 거리는 섬유와 렌즈 사이에 직각 프리즘을 삽입할 수 있도록 하고, 섬유에서
저손실 굽힘 반경을 허용하기 위해 FORJ의 길이를 증가시킬 필요 없이도, 섬유가 FORJ의 회전축에 직각 방향으
로 FORJ를 빠져나갈 수 있도록 해준다. 이러한 응용사례에서, 렌즈의 더 높은 실효 초점 거리 및 시준기 작동
거리의 상응한 증가는 중요한 목표가 아니다. 대신에 이와 같은 시준기는, 회전하는 섬유들 및 고정 섬유들 중
하나 또는 모두가 로터리 조인트의 회전축에 수직으로 FORJ에 들어오는, 팬케이크 스타일의 로터리 조인트를 얻
는 데 유리하게 사용될 수 있다. 이는, 본 명세서에 참조 인용된 미국 특허 제4,398,791호, 제5,039,193호, 및/
또는 제5,588,077호에 개시된 것처럼, 단일 채널 FORJ의 축 방향 길이를 감소시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 일반적인 목적은 향상된 저손실 시준기를 제공하는 것이다.[0056]
또 다른 목적은 광섬유 로터리 조인트에서 사용하기 위한 저손실 시준기를 제공하는 것이다.[0057]
상기 및 다른 목적들과 장점들은 이어지는 명세서, 도면, 및 첨부된 청구범위를 통해 명백해질 것이다.[0058]
도면의 간단한 설명
도 1a는 최대 무손실 값 로 정규화된 섬유-렌즈 초점면 사이 거리(세로축)와 최대 무손실 값 로[0059]
정규화된 렌즈 초점면-렌즈 초점면 사이 거리(작동 거리)(세로축) 간의 그래프를 보여주는 도면이다.
도 1b는 렌즈의 실효 초점 거리(세로축)와 상업적으로 이용 가능한 굴절율 분포 로드 렌즈, 특히 SLW-1.8 셀폭
렌즈를 위한 피치(가로축) 간의 그래프를 보여주는 도면이다.
도 1c는 렌즈 길이(세로축)와 상업적으로 이용 가능한 굴절율 분포 로드 렌즈, 특히 SLW-1.8 셀폭 렌즈를 위한
피치(가로축) 간의 그래프를 보여주는 도면이다.
도 2는 광섬유 로터리 조인트의 길이 방향 및 수직 방향의 단면도로서, 별도 언급이 없는 부분에 있어서는 미국
특허 제4,725,116호의 도 5와 유사한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 이 실시예는, 광학적 투명 에폭시를 사용하
여 중간 유리 이격체에 부착된 왼쪽의 섬유/페룰(ferrule) 하위조립체를 구비하고, 상기 중간 유리 이격체는 다
시 광학적 투명 에폭시를 사용하여 오른쪽의 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈에 부착된 것을 보여주는
도면이다.
도 3b는 도 3a에 보인 굴절율 분포 로드 렌즈의 상세도이다.
도 3c는 도 3a에 보인 유리 이격체의 상세도이다.
도 3d는 도 3a에 보인 섬유/페룰 하위조립체의 상세도이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시예를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 이 실시예는, 광학적 투명 에폭시를 사용하
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여 고반사 금속 코팅을 갖춘 정육면체 반사 프리즘에 부착된 섬유/페룰(ferrule) 하위조립체를 구비하고, 상기
정육면체 반사 프리즘은 다시 광학적 투명 에폭시를 사용하여 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈에 부착
된 것을 보여주는 도면이다.
도 4b는 도 4a에 보인 정육면체 반사 프리즘의 개략적인 도면이다.
도 5a는 본 발명의 제3 실시예를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 이 실시예는, 광학적 투명 에폭시를 사용하
여 고반사 금속 코팅을 갖춘 직각 프리즘에 부착된 섬유/페룰(ferrule) 하위조립체를 구비하고, 상기 직각 프리
즘은 다시 광학적 투명 에폭시를 사용하여 4분의 1 피치 미만 굴절율 분포 로드 렌즈에 부착된 것을 보여주는
도면이다.
도 5b는 도 5a에 보인 직각 프리즘의 개략적인 도면이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
시작하기 전에, 동일한 도면 부호들은 여러 도면들을 통하여 일관적으로 동일한 구조적 구성요소, 부분 또는 표[0060]
면들을 지칭하고, 그러한 구성요소, 부분 또는 표면들은 아래 상세 설명을 통합된 부분으로서 포함하는 본 명세
서 전체를 통해 더욱 묘사되고 설명되고 있음을 주지할 필요가 있다. 달리 명시되지 않는 한, 도면들은 명세서
의 내용과 함께 읽혀져야 하고(예를 들어, 이중 빗금, 부재들의 구성, 비율, 각도 등), 본 발명의 개시 내용의
일부분으로서 이해되어야 한다. 이어지는 설명에서 사용되는 것처럼, "수평", "수직", "좌", "우", "위",
"아래", 뿐만 아니라 그 형용사형 및 부사형의 파생 용어들(예를 들어, "수평으로", "오른쪽으로", "위쪽으로",
등)은 단순히 특정 도면이 독자를 마주하도록 도시된 구조물의 방향을 지칭한다. 유사하게, "안쪽으로" 및 "바
깥쪽으로"의 용어들은 일반적으로, 경우에 따라 적절하게 연장축 또는 회전축에 대하여 상대적으로 표면의 방향
을 지칭한다.
광섬유 로터리 조인트(도 2 참조)[0061]
도 1을 참조하면, 도면 부호 20을 이용하여 포괄적으로 지칭되는 광섬유 로터리 조인트의 제1 실시예가 설명되[0062]
고 있다. 도 2는 본 명세서에서 설명된 바들을 제외하고는, 미국 특허 제4,725,116호의 도 5와 유사하다. 따라
서 이어지는 설명은 상기 특허의 명세서에서 사용된 언어를 바꿔서 사용할 것이다. 이 실시예는 다섯 개의 광신
호 입력 및 출력을 가지고 있는 것으로 도시되었지만, 그 구조는 몇 개의 입력과 출력이라도 지원할 수 있도록
변경될 수 있고, 유일한 제약 조건은 용인될 수 있는 전송 손실의 정도라는 것을 주지할 필요가 있다.
조인트(20)는 오른쪽 헤드 단부(22), 왼쪽 꼬리 단부(23), 그리고 수평으로 연장되고 상기 헤드 단부 및 꼬리[0063]
단부를 연결하는 광학적 투명 원통 튜브(24)를 구비한 하나의 고정자(21)를 포함한다. 헤드 단부는 원통형이고
하나의 수평적인 중앙 통공(through-bore)(25) 및 원주에 분포되고 상기 중앙 통공(25)을 둘러싸며 반복된 도면
부호 26으로 표시된 네 개의 수평 통공들을 포함한다. 이 통공(26)들 중 오직 두 개만이 도 2에 보일 수 있다.
통공 각각은 광학 신호 전달 섬유가 헤드 단부에 연결되도록 하는 수단을 수용하도록 구성된다. 개시된 실시예
에서, 로터리 조인트는, 중앙 통공(25)을 위해 하나와 주변 통공(26)들을 위해 각각 하나씩, 다섯 개의 섬유들
을 포함한다. 세 개의 도시된 섬유들은 각각 도면 부호 29, 도면 부호 30 및 도면 부호 31로 표시되었다. 각각
의 섬유는, 광신호의 전파 방향에 따라 렌즈를 떠나는 광신호의 지름을 확대하거나 렌즈로 들어오는 광신호의
지름을 축소하는 기능을 하는, 셀폭 렌즈와 같은 굴절율 분포 로드 렌즈(32)에서 끝난다.
뒤쪽에서 헤드 단부(22)는, 왼쪽으로 연장되고 큰 지름의 통공(34)을 가진 수평 원통 튜브형 보스(33)를 포함하[0064]
는 지지 수단을 획정하는데, 이 통공은 헤드 단부의 중앙 통공(25)과 연결된다. 실제적으로, 중앙 섬유(29)에
부착된 렌즈(32)는 상기 통공(34) 속으로 약간 돌출된다. 상기 통공(34) 안의 보스(33)에는 아래에서 설명하고
있는 것처럼 축 방향으로 배치된 한 쌍의 베어링 조립체(35)들이 고정된다.
상기 투명 튜브(24)를 따라, 도면 부호 36으로 표시된, 개별적으로 존재하는 다수(도면에서는 네 개)의 지지 수[0065]
단 또는 유닛들이 배치되고 회전하지 않도록 고정된다. 이들은 서로 동일하기 때문에, 오직 하나만이 아래에서
설명될 것이다.
각각의 지지 유닛(36)은 원통형으로서, 원주에 배치된 세 개의 통공(39)들을 구비한 큰 직경을 가진 부위(38)를[0066]
포함한다. 상기 통공들은 고정자의 헤드 단부를 통해 제공되는 상기 주변 통공(25, 26)들과 정렬되어 있다. 각
각의 지지 유닛은 추가로 중심을 벗어나 있고 축 방향으로 정렬된 제4 통공(40)을 포함하는데, 이 통공은 방사
상 방향으로 연장되는 통공(41)과 교차하고, 이 후자의 통공은 상기 큰 직경 부위(38)를 뒤쪽 표면으로부터 들
어오는 축 방향의 짧은 통공과 다시 교차한다. 상기 통공들(40, 41)의 교차지점에서, 축 방향 광학 경로 및 방
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사상 방향 광학 경로에 대하여 45˚의 각도에 배치되는 반사 거울(44)을 수용할 수 있도록 착좌부(43)가 형성된
다. 상기 통공들(41, 42)의 교차지점에도, 축 방향 및 방사상 방향 경로들에 45˚의 각도에서 배치되는 반사 거
울(46)을 수용할 수 있도록 또 다른 착좌부(45)가 형성된다. 상기 거울(46)은 빛을 다른 거울(44)에
반사하도록, 그리고 그 반대도 마찬가지가 되도록 배열된다.
헤드 단부에 가장 가까운 지지 유닛(36)은, 그 통공(34) 및 거울(46)이 하나의 선상에 중앙 섬유(29)로부터 유[0067]
도되는 광신호를 가로채도록, 튜브형 보스(33) 안에 정렬되고 고정된다. 상기 유닛(36)을 통과하여 지나가는 다
른 세 개의 통공(39)들은 방해받지 않기 때문에, 다른 섬유들로부터 또는 다른 섬유들로 전달되는 광신호들은
상기 통공들 중 적절한 통공을 통과하여 지나간다. 왼쪽으로 두 번째 인접한 유닛(36)은, 방금 설명한 오른쪽
끝의 유닛에 대하여 상대적으로 90˚의 각도로 정렬되어 있어서, 해당 섬유로부터 유도된 광신호가 그 거울(4
4)에 의해 가로채어지도록 하고, 나머지 두 개의 섬유들로부터의 신호들은 방해 받지 않는 통공들을 통하여 지
나갈 수 있도록 한다. 왼쪽 방향으로 그 다음 인접한 유닛(36)은 이전 유닛에 대하여 90˚의 각도(헤드 단부에
가장 가까운 유닛에 대하여는 180˚의 각도)로 정렬되어 있어서, 해당 섬유로부터 유도되고 이전 지지 유닛들
모두를 통과하여 도달한 광신호가 그의 거울(44)에 의하여 가로채어지도록 한다. 나머지 섬유로부터 유도된 광
신호는 이전 유닛에 대하여 상대적으로 90˚의 각도로 정렬된 가장 뒤쪽 지지 유닛(36)의 거울(44)에 의하여 가
로채어진다.
각각의 경우에, 상기 섬유들 중 하나로부터의 신호는 해당 지지 유닛에 있는 거울(44)들 중 하나에 의하여, 조[0068]
인트 축에 평행한 경로로부터 그 축에 법선 방향 또는 수직인 경로로 반사된다. 각각의 경우에, 그렇게 반사된
신호는 해당 지지 유닛의 거울에 의해 다시 90˚ 각도로 반사되어, 축과 일치하게 된다.
각각의 지지 유닛(36)은 중앙 보스, 상기 통공과 연결된 상기 보스 내의 중앙 통공, 및 상기 중앙 통공 내에 고[0069]
정된 베어링 조립체를 포함한다. 각각의 지지 유닛은 다시, 앞서 설명한 바와 같이 구성에서 실질적으로 동일한
반사 유닛을 갖는다. 따라서 각각의 반사 유닛은 원통 부위, 원통 부위에 90˚에 놓인 부위, 방사상 및 축 방향
의 통공들, 반사 거울 및 영구 자석을 포함한다. 각각의 반사 유닛은 해당 지지 유닛에 포함된 베어링 조립체들
에 의하여 회전 가능하도록 지지되고, 고정자 헤드 단부의 뒤쪽에 형성된 지지 유닛을 포함해서, 각각의 지지
유닛 당 하나의 반사 유닛이 존재하게 된다.
상기 고정자의 꼬리 단부(23)는 그 성질상 원통형이고, 상기 투명 튜브(24)의 왼쪽 가장자리 단부에 고정된다.[0070]
하나의 베어링 조립체(48)가 고정자 꼬리 단부 위에 장착되고, 또 다른 베어링 조립체(48)는 고정자 헤드 단부
(22) 위에 장착된다.
로터리 조인트는 추가로, 헤드 단부(50), 꼬리 단부(51), 및 수평으로 연장되어 헤드 단부 및 꼬리 단부를 연결[0071]
하는 튜브 몸체(52)를 구비한, 회전자(49)를 포함한다. 회전자 헤드 단부(50)는 베어링 조립체(48)에 의하여 고
정자 헤드 단부(22) 위에서 저널 형성되고, 회전자 꼬리 단부(51)는 다른 베어링 조립체(48)에 의하여 고정자
꼬리 단부(23) 위에서 저널 형성되며, 회전자 튜브 몸체(52)는 고정자 투명 튜브(24)를 둘러싸게 된다. 조인트
의 내부를 밀봉하기 위하여, 고정자 헤드 단부와의 밀봉 결합을 위한 회전자 뚜껑 부재에 O형 링 밀봉이 제공된
다. 상기 뚜껑 부재는 회전자 헤드 단부에 기계적 나사에 의하여 연결되고, 전통적인 O형 링에 의하여
밀봉된다.
회전자 튜브 몸체(52)는, 다수의 도면 부호 53으로 표시된 것처럼, 길이 방향으로 배치되고 연결 수단(54)들에[0072]
의하여 연결된 다수(이 실시예의 경우 다섯 개)의 광신호 전달 섬유들을 구비한다. 헤드 단부로부터 꼬리 단부
방향으로, 상기 회전자 섬유들은 개별적으로 도면 부호 53A, 53B, 53C, 53D, 및 53E을 이용하여 각각 참조된다.
각각의 회전자 섬유는 각각의 고정자 로드 렌즈(32)와 동일한 초점 거리를 갖는 굴절율 분포 로드 렌즈(55)에서
끝난다. 각각의 렌즈(55)는, 고정자 투명 튜브(24)에 인접하여 가까이 위치할 수 있도록 환상의 몸체를 통과하
여 연장되어 있다. 각 회전자 섬유 및 그 렌즈들의 광학축은, 대응하는 반사 유닛(58)의 통공(56)에 의해 정의
된 광학 경로를 포함하는, 횡단 평면 위에 놓이게 된다.
상기 회전자의 환형 몸체(52)는, 각각의 섬유 및 그 렌즈들과 정반대의 위치에서, 대응하는 반사 유닛(58)에 장[0073]
착된 자석의 극성과 반대되는 극성의 영구자석을 구비한다.
고정자 섬유들에 들어오는 광신호는, 회전 가능한 반사 부재를 포함하는 광학 경로를 통하여 회전자 섬유들에[0074]
전달되는데, 여기서 상기 반사 부재는, 광신호를 조인트의 축으로부터 회전하는 회전자 섬유로 전송하는 역할을
하고, 상기 자석 쌍(59, 60) 사이의 자기적 상호작용에 의하여 회전함으로써 회전자 섬유와 정렬된 상태를 유지
한다.
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고정자(21)의 구조를 설명함에 있어서, 고정자 섬유들(29, 30, 31) 각각으로부터 발산되는 광신호는 고정자 속[0075]
으로 들어가서, 대응하는 지지 유닛으로부터 조인트의 축을 따라 지나가는 부분을 포함한다는 것을 설명한 바
있다. 상기 부분은, 대응하는 지지 유닛 속에서 회전하는 반사 유닛의 거울(44)에 의하여 반사되고, 대응하는
회전자 섬유의 굴절율 분포 렌즈(55)에 의하여 수신되도록 투명 튜브를 통과하여 지나가는데, 이때 섬유는 위에
서 설명한 자기적 상호작용에 의하여 반사 유닛을 탈출하는 광학 경로와 정렬된 상태를 유지한다. 도시된 실시
예에서, 중앙 고정자 섬유(29)로부터의 신호는 회전자 섬유(53A)로 유도되고, 고정자 섬유(30)로부터의 신호는
회전자 섬유(53B)로, 고정자 섬유(31)로부터의 신호는 회전자 섬유(53C)로, 그리고 다른 고정자 섬유들로부터의
신호는 회전자 섬유(53D 및 53E)들에 의해 각각 수신된다. 물론 신호들은, 회전자 섬유들로부터 반사된 경로들
을 통과하여 고정자 섬유들까지 반대의 방향으로도 마찬가지로 쉽게 전송될 수 있다. 추가로, 예를 들어, 두 개
의 경로들에서 회전자-고정자 방향으로 전송되는 신호들 및 다른 경로들에서 고정자-회전자 방향으로 전송되는
신호들을 이용하여, 신호 방향들의 조합이 사용될 수도 있다. 다양한 신호 경로들이 회전자의 회전동안 교차하
는 것은 신호에 큰 영향을 주지 않는데, 이는 그러한 간섭의 지속기간이 극히 작기 때문이다.
별도로 도시되지는 않았지만, 도 2의 다중 채널 로터리 조인트에는 대안적인 자석 구성들도 역시 사용될 수 있[0076]
다는 것을 주지할 필요가 있다.
셀폭 렌즈의 한 특성으로서, 광학적 커플링에 사용되는 경우, 전송 손실은 그들 사이의 거리에 비례한다. 위에[0077]
서 설명한 실시예에서는, 그러한 전송 손실이 가장 가까운 거리의 섬유들(29 및 53A) 사이에서 최소가 되지만,
렌즈 간 분리 거리가 증가함에 따라 각각의 채널에 대하여 점차 증가하게 된다. 따라서 상기 로터리 조인트에서
사용할 수 있는 채널들의 개수는 사실상 제한이 없지만, 사용 가능한 최대 채널의 개수는, 용납될 수 있는 최대
전송 손실 정도에 의하여 결정된다.
제1 실시예(도 3a 내지 도 3d)[0078]
도 3a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예는, 도면 부호 61로 포괄적으로 참조된 바와 같이, 방사상 방향으로 대[0079]
칭이고 짧은 피치를 갖는 시준기를 제공한다. 이 시준기는 중간의 광학적 투명 에폭시(63)에 의해 원통형 유리
이격체(64)에 고정된 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈(62)를 포함한다. 상기 이격체의 다른 쪽 단부는 중간의 광
학적 투명 에폭시(65)에 의해 섬유/페룰 하위조립체에 고정된다. 상기 섬유/페룰 하위조립체는 광학 섬유(68)의
오른쪽 가장자리 단부를 둘러싸는 환형 페룰(66)을 구비한 것으로 도시되었다. 상기 섬유는 다중 채널 또는 단
일 채널 광섬유일 수 있다.
도 3b에서, 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈(62)는 수평축 x-x, 이격체 측 왼쪽 단부(62a), 오른쪽 단부(62b), 이[0080]
격체 측 초점면(62c), 및 오른쪽 초점면(62d)을 갖춘 수평 방향으로 긴 원통형 로드 형상 부재로 도시되어
있다. 상기 단부(62a, 62b)들은 광학 축 x-x에 수직이거나, 단부들로부터의 후방 반사를 감소시기 위하여 광학
축에 수직인 평면과 작은 각도를 이루도록 정렬될 수 있다. 상기 단부들의 법선 벡터(normal vector)들은 동일
평면상에 위치하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 3c에서, 원통형 유리 이격체(64)는 또한 수평축 x-x, 페룰/섬유 측 왼쪽 단부(64a), 및 이격체 측 우측 단부[0081]
(64b)를 갖춘 수평 방향으로 긴 원통형 로드 같은 형태의 부재로 도시되어 있다. 상기 유리 이격체의 지름은 굴
절율 분포 로드 렌즈(62)의 지름 이하인 것이 바람직하다. 상기 이격체는, 로드 렌즈 이격체 측 초점면(62c)이
이격체의 바깥에 놓이도록 하여 이격체를 매개로 하여 계산되었을 때, 굴절율 분포 로드 렌즈의 초점 거리 이하
의 축 길이를 갖는다. 상기 유리 이격체의 단부(64a, 64b)들은 중앙 축에 수직이거나, 단부들로부터의 후방 반
사를 감소시키기 위하여 중앙 축에 수직인 평면과 작은 각도를 이루도록 정렬된다. 상기 단부들의 법선 벡터들
은 동일 평면상에 위치하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 3a를 다시 참조하면, 굴절율 분포 로드 렌즈의 왼쪽 단부(62a)는, 매우 작은 두께의 자외선 응고 에폭시를[0082]
이용하여, 렌즈의 광학축 x-x가 이격체의 중앙 축과 일치하도록, 그리고 자외선 응고 에폭시 또는 이격체 중 어
느 것도 렌즈의 방사상 범위를 벗어나 바깥으로 연장되지 않도록, 원통형 유리 이격체의 오른쪽 단부(64b)에 고
정될 수 있다. 이런 이유로, 렌즈의 지름보다 작은 지름을 갖는 이격체를 사용하는 것이 바람직하다. 위에서 논
의된 구성에서, 구성요소들의 하나 또는 그 이상의 단부들은 해당 축에 수직인 평면들과 작은 각도를 이루도록
정렬되고, 구성요소 각각의 각진 단부들은 자외선 응고 에폭시를 건너서 서로에게 연결되도록 구성되어 있는데,
중앙의 광학축들이 일치하는 상태를 유지하기 위해서는 상기 작은 각도들이 동일한 크기이어야 하고, 상기 이격
체 및 렌즈들의 단부에서의 법선 벡터들이 동일 평면상에 위치하도록 이격체 및 렌즈들이 정렬되어야함을 알 수
있다.
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도 3d에서는, 광학 섬유(68)가 중앙 축 x-x 및 이격체 측 광섬유 단부(68a)를 갖는다. 페룰은 중앙축 x-x 및 이[0083]
격체 측 페룰 단부(66a)를 갖는다. 상기 페룰은 렌즈 또는 이격체의 지름보다 작은 지름을 갖는 것이 바람직하
다. 상기 섬유 단부는 페룰 단부와 일치하는 것이 바람직하고, 섬유 중앙 축은 페룰 중앙 축과 평행한, 바람직
하게는 일치하는 것이 좋다. 이격체 측 광섬유 단부는 이격체 측 페룰 단부와 동일하게 정렬됨으로써 이점을 갖
는다. 광섬유 중앙 축은 페룰 중앙 축과 평행함으로써 이점을 갖는다. 페룰은 원통형 유리 이격체의 지름 이하
인 지름을 갖는 것이 바람직하다. 상기 페룰 단부는 축 x-x에 수직인 평면에 정렬되거나, 단부로부터의 후방 반
사를 감소시키기 위하여 중앙 축에 수직인 평면과 작은 각도를 이루는 평면에 정렬될 수 있다.
도 3a를 또 다시 참조하면, 섬유/페룰 하위조립체의 오른쪽 단부는, 자외선 응고 에폭시(65)를 이용하여 유리[0084]
이격체의 왼쪽 단부에 고정되는데, 이때 섬유/페룰 하위조립체의 중앙 축은 로드 렌즈 및 유리 이격체의 광학축
과 일치하도록 정렬되는 것이 바람직하고, 자외선 응고 에폭시 또는 섬유/페룰 하위조립체 중 어느 것도 렌즈의
방사상 범위를 넘어 방사상 바깥으로 연장되지 않도록 구성된다. 이런 이유로, 상기 이격체의 지름보다 작은 지
름을 갖는 페룰을 사용하는 것이 바람직하다. 위에서 설명한 예에서, 구성요소들의 하나 또는 그 이상의 단부들
은 그들 각자의 축으로부터 작은 각도를 갖는 방향으로 정렬되고 각 구성요소의 경사진 단부들이 자외선 응고
에폭시를 거쳐서 서로에게 접촉하도록 되어 있는데, 상기 작은 각도들이 동일한 크기를 갖고 페룰 및 이격체는
그 단부들에 대한 법선 벡터가 동일한 평면 위에 존재하도록 정렬되어야 함을 주지할 필요가 있다.
이러한 방식을 통해, 시준기 조립체의 방사상 형태는, 표준 4분의 1 피치 렌즈를 사용하여 제조된 방사상 대칭[0085]
형의 유사한 시준기 조립체의 방사상 형태와 동일하게 된다.
렌즈(61)들은 도 2의 렌즈들(32 및/또는 55)로 대체될 수 있다.[0086]
제2 실시예(도 4a 및 4b)[0087]
이제 도 4a를 참조하면, 도면 부호 69로 포괄적으로 표시된, 본 발명의 제2 실시예는, 섬유가 로터리 조인트의[0088]
회전축에 대해 직각으로 향하게 배치되게 진입되어야 하는 광섬유 로터리 조인트에서의 사용이나 크기 제약 조
건이 축 대칭 시준기의 사용 및 직각 진입한 섬유의 구부림을 금지하는 응용사례에서의 사용에 적합한, 축 방향
비대칭의 단피치 시준기를 포함한다. 제2 실시예는 도 3a에 설명된 제1의 포괄적 실시예와 유사한 하위 구성요
소들로 구성된다. 따라서 조인트(20)는 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈(70), 직각 정육면체 반사 프리즘(제1 실
시예의 유리 이격체를 대체), 및 페룰(73) 내의 광섬유(72)로 구성된 섬유/페룰 하위조립체를 포함한다. 렌즈
(70)의 왼쪽 단부는 광학적 투명 에폭시(74)를 이용하여 프리즘(71)의 오른쪽 면에 고정된다. 유사하게, 섬유/
페룰 하위조립체의 위쪽 단부는 광학적 투명 에폭시(75)을 이용하여 프리즘(71)의 아래쪽 면에 고정된다. 상기
에폭시들은 적절한 자외선 응고 에폭시일 수 있다.
도 4b를 참조하면, 정육면체 반사 프리즘은, 정육면체 반사 프리즘 내에서 대각선으로 연장되는 광학적 반사성[0089]
금속 레이어(71a)를 갖춘 것으로 도시되어 있다. 따라서 빛은 수평 축 x-x를 따라 그 수직의 오른쪽 면(71b)을
통과하여 프리즘에 진입하고 중앙 수직 축 y-y를 따라 수평의 아래쪽 면(71c)을 통과하여 빠져나가거나, 그 반
대로 진행한다. 바람직하게는, 정육면체 반사 프리즘의 중앙 수평 축이 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축
과 일치하고, 정육면체 반사 프리즘의 중앙 수직 축이 섬유/페룰 하위조립체의 중앙 축과 일치하는 것이 좋다.
정육면체 반사 프리즘의 단부들에 대한 법선은 서로 수직인 것이 바람직하다. 정육면체 반사 프리즘은, 단피치
굴절율 분포 로드 렌즈의 이격체 측 초점면이 정육면체 반사 프리즘의 바깥쪽에 위치하도록 프리즘의 중간에서
계산되었을 때, 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈의 초점 거리와 동일하거나 약간 부족한 두께를 갖는 것이 바람직
하다. 본 실시예에서, 로드 렌즈의 이격체 측 단부는 일반적으로 로드 렌즈의 광학축에 수직이고, 섬유/페룰 하
위조립체의 단부는 일반적으로 섬유/페룰 하위조립체의 중앙축에 수직이다.
정육면체 반사 프리즘의 사용은, 반사 코팅을 갖추거나 갖추지 않은 직각 프리즘을 사용하는 점에서 이점이 있[0090]
다. 반사 코팅을 사용하지 않는 직각 프리즘의 경우, 빔의 원하는 90˚ 굴절은 경사면에서의 내부 반사를 통하
여 얻어질 수 있다. 예를 들어, 흔히 쓰이는 유리 BK7의 경우에, 내부 전반사가 일어나는 한계 입사각은, 전달
매체가 공기일 때, 대략 41.8˚이다. 본 실시예에서, 섬유를 빠져나가는 빔의 중앙 광선의 입사각은 45˚이고,
이는 상기 한계 입사각보다 크다. 그러나 빔은 섬유로부터 분기하여 빔 에너지의 많은 부분이 경사면을 통해 전
달된다. 따라서 반사 표면이 필요하다.
금속성 반사 코팅을 갖춘 표준 직각 프리즘의 경우에, 흡수에 의해 경사면에서 발생하는 빔 에너지 일부의 손실[0091]
은 선택된 금속에 의존한다. 유리 안에서 빔의 90˚ 굴절을 위하여 가장 흔히 선택되는 금속인 알루미늄은 일반
적인 850 nm 광섬유 전송 파장에서 90% 미만이고, 1310 nm 및 1550 nm의 일반적 광섬유 전송 파장에서 대략 95%
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까지 증가하는 반사도를 갖는다. 이는 850 nm에서 0.46 dB보다 큰 삽입 손실, 그리고 1310 nm 및 1500 nm에서
0.22 dB보다 큰 삽입 손실의 손해를 유발한다. 금 반사 코팅을 사용함으로써 이를 향상시킬 수 있는데, 이 경우
세 가지 모든 전송 파장들에서 97.5%의 반사도를 갖는다. 이는 0.11 dB보다 작은 삽입 손실 손해를 유발한다.
그러나 금을 유리에 직접 씌우는 것은 어려우므로, 예를 들어 크롬을 이용한 접착 레이어가 준비된 표준 직각
프리즘의 빗면 위에 금을 도포하고 이러한 코팅 위에 제2 직각 프리즘을 예를 들어 자외선 에폭시를 이용하여
고정함으로써, 정육면체 반사 프리즘이 만들어 질 수 있다. 이러한 해결책의 경우, 사용된 직각 프리즘들 중 오
직 하나만이 광학 경로를 위하여 사용될 수 있다.
다층 유전성 코팅을 갖춘 표준 직각 프리즘의 경우, 빔의 원하는 90˚ 굴절은, 원하는 파장 또는 파장들에서의[0092]
고 반사도에 의해 성취될 수 있다.
상기 시준기(69)는 광섬유 로터리 조인트(20)와 함께 사용될 수 있다.[0093]
제3 실시예(도 5a 및 도 5b)[0094]
이제 도 5a를 참조하면, 도면 부호 76으로 포괄적으로 표시된 본 발명의 제3 실시예는 단피치 굴절율 분포 로드[0095]
렌즈(78), 직각 삼각형 반사 프리즘(79)(제1 실시예의 유리 이격체를 대체함), 및 페룰(81) 안의 광섬유(80)로
구성된 섬유/페룰 하위조립체를 포함한다. 렌즈의 왼쪽 단부(78)는 광학적 투명 에폭시(82)를 사용하여 프리즘
(79)의 오른쪽 단부에 고정된다. 유사하게, 섬유/페룰 하위조립체의 위쪽 단부는 광학적 투명 에폭시(83)를 사
용하여 프리즘(79)의 아래쪽 면에 고정된다. 상기 에폭시들은 적절한 자외선 응고 에폭시일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 정육면체 반사 프리즘(79)은 그 경사진 후면에 광학적 반사성 금속 레이어(79a)를 갖춘[0096]
것으로 도시되어 있다. 따라서 빛은 수평의 중앙 축 x-x를 따라 수직의 오른쪽 면(32c)을 통과하여 진입하고,
수평의 아래쪽 면(32e)을 통과하여 수직의 중앙 축 y-y를 따라 빠져나가거나, 그 반대로 진행한다. 바람직하게
는, 상기 정육면체 반사 프리즘의 수평 중앙 축이 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈의 광학축과 일치하고, 직각 프
리즘의 수직 중앙 축이 섬유/페룰 하위조립체의 중앙 축과 일치하는 것이 좋다. 직각 프리즘 단부들에 대한 법
선들은 서로 수직인 것이 바람직하다. 직각 프리즘은, 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈의 이격체 측 초점면이 직
각 프리즘 바깥에 위치하도록 프리즘의 중간에서 계산되었을 때, 단피치 굴절율 분포 로드 렌즈의 초점 거리와
동일하거나 약간 작은 폭을 갖는다. 본 실시예에서, 로드 렌즈의 이격체 측 단부는 일반적으로 로드 렌즈의 광
학축에 수직이 되도록 제한되고, 섬유/페룰 하위조립체의 단부는 일반적으로 섬유/페룰 하위조립체의 중앙 축에
수직이 되도록 제한된다.
상기 시준기(76)는 광섬유 로터리 조인트(20)와 함께 사용될 수 있다.[0097]
변형 실시예[0098]
본 발명에 대한 많은 변경과 변형 형태들이 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 상기 시준기 조립체는 선형이거나[0099]
기울어진 광학 경로를 가질 수 있다. 상기 반사 프리즘은 정육면체이거나 거울 처리된 대각선의 표면이거나 거
울 처리된 뒷면을 갖는 삼각 프리즘일 수 있다. 기타 다른 변화도 또한 만들어질 수 있다.
그러므로, 향상된 저손실 시준기의 여러 실시예들이 도시되고 설명되었고 그에 대한 몇가지 변형 형태들이 논의[0100]
되었지만, 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자들은, 이어지는 청구범위에서 정의되고 차별화된 본 발
명의 원리를 벗어나지 않고도 다양한 추가적 변경 및 변형 형태들이 만들어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을
것이다.
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