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나노 광섬유의 주요 특성 평가
 외부직경이 대략 1마이크로미터 이하인 광섬유로 정의되는 나노광섬유에 대한 관심이 증대되고 있다. 나노광섬유는 횡단 면적이 작기 때문에, 비교적 큰 나노광섬유는 비선형 광학소자로 이용될 수 있으며, 더욱 작은 나노광섬유는 대부분의 빛을 소멸광의 형태로 유도하므로 감지 분야에 유용하다.
나노광섬유가 어떻게 빛을 전송하는지에 대한 특성을 파악하는 것은 양쪽 분야에서 모두 중요하다. 광섬유 중심에서의 빛 세기를 아는 것은 비선형소자 제작에 필수적이다. 광섬유와 공기 경계면에서의 빛 세기를 알면 감지기 설계에 도움이 된다. 독일 광기술원(Institute of Photonics Technology) 연구팀이 광섬유 직경의 함수로서 이러한 파라미터들을 수치적으로 명확하게 평가하였으며, 모드 모양이나 요구되는 광섬유 테이퍼 길이와 같은 흥미로운 다른 특성들에 대해서도 측정하였다. 또한 연구진은 나노광섬유를 제조함으로써 실험 데이터를 모을 수 있었다.
나노광섬유를 제작할 때에는 대개 직경이 큰 광섬유의 한 구간을 가열하며 잡아 늘여서 응용분야에 따라 한쪽이나 양쪽 끝에 테이퍼가 있는 나노광섬유 구간을 만든다. 적절한 설계를 위해서는 나노광섬유 안팎에서의 모드세기 프로파일뿐만 아니라, 직경이 큰 광섬유 구간으로부터 테이퍼를 통과하여 나노광섬유로 전달되는 빛의 효율도 알아야 한다. 연구진은 과거에 개발했던 기준을 기반으로 하여 다양한 상황에 대해서 이러한 특성들을 계산하였다.
연구진은 1.444의 굴절률과 1550 nm의 파장에 대해서 직경이 125 μm인 광섬유로부터 나노광섬유로 빛이 단열적으로(무손실) 전송되는데 필요한 테이퍼 길이를 판단하였다. 연구진은 이 결과를 빛 파장에 대한 나노광섬유 직경의 비율 형태로 기술하였다. 따라서 이 결과는 다른 파장에서도 유용하다. 0.6λ 혹은 그 이상의 직경에 대해서는 단열 결합에 요구되는 테이퍼 길이가 겨우 10 μm이지만, 0.29λ의 직경에 대해서는 약 1 mm 정도로 길어야 한다. 하지만 0.16λ 직경에 대해서는 진정한 단열결합에 요구되는 최소 테이퍼 길이는 1 km로 엄청나게 길다.
연구진은 표준 단일모드광섬유를 나노광섬유 형태로 인출하면서 전송실험 데이터를 연속적으로 수집했다. 처음에는 전송되고 있는 1550 nm 레이저 광이 광섬유 코어로 제한되었으나, 외부 직경이 60 μm 정도로 축소됨에 따라 빛은 코어를 벗어났고 광섬유 전체가 ‘코어’가 되었다. 계속 더 가늘게 만드는 동안에는, 광섬유의 기본모드가 2개의 회전대칭 모드인 HE11과 HE12 모드들 사이에서 왔다갔다 바뀜에 따라 전송량이 급하게 변했다. 직경이 더욱 작아지자, HE12 모드는 사라졌고 남아있는 HE11 모드는 점진적으로 소멸 모드가 되었다. 최종적으로는 전송량이 급격하게 줄었으며, 광섬유의 작은 직경 속으로 단열 결합되는데 필요한 것보다 테이퍼 길이가 훨씬 더 짧았던 것이 전송량 감소의 이유들 중 하나이다.
연구진은 나노광섬유 직경의 함수 형태로 모드특성을 평가하기 위해서 수치모의실험을 더 진행했다. 예를 들면, 소멸파의 형태로 나노광섬유 바깥에서 진행하는 빛의 비율은 0.75λ 직경에 대해서는 18%이지만, 0.3λ 직경에 대해서는 97%로 크게 높아진다. 약 0.2λ나 그보다 더 작은 직경에 대해서는, 광섬유의 모양에 매우 작은 결함만 있어도 빛이 쉽게 광섬유 밖으로 결합된다. 이러한 과정은 비가역적이며 감지 분야에 응용되기에는 바람직하지 못할 것이다. 광섬유 중심에서의 최대 광세기는 0.60λ 직경에서 얻어지며, 이것은 비선형 소자의 설계에 유용하게 이용될 것이다. 광섬유 외부 표면에서의 최대 세기는 직경이 0.44λ일 때 얻어졌다. 이 경우는 빛이 광섬유 바깥에 있는 가스나 미세입자 혹은 그 밖의 다른 물질들과 상호작용을 잘 할 수 있으므로 감지 분야에 유용하다.
* 그림 : 표준광섬유로부터 나노광섬유로의 단열결합은 테이퍼 길이가 특정 최소값 이상일 때에만 달성된다.
※출처: 2010. 03. 13. 『글로벌동향브리핑(GTB)』
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