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Development of Fiber-end-cap Fabrication Equipment
Sung Hun Lee
1†, Soon Hwi Hwang
1, Tae Kyun Kim
1, Whan Seok Yang
1, Yeong Gap Yoon
2, and Seon Ju Kim
21Laser R&D, LIGNex1, Giheung-gu, Yongin 16911, Korea 2Research Center, LS-tech, Buk-gu, Gwangju 61007, Korea
(Received January 28, 2021; Revised February 16, 2021; Accepted February 17, 2021)
In this paper, we design and construct the equipment to manufacture large-diameter optical fiber end caps, which are the core parts of high-power fiber lasers, and we fabricate large-diameter optical fiber end caps using the home-made equipment. This equipment consists of a CO2 laser as a fusion-splice heat source, a precision stage assembly for transferring the position of a large-diameter optical fiber and an end cap, and a vision system used for alignment when the fusion splice is interlocked with the stage assembly. The output of the laser source is interlocked with the stage assembly to control the output, and the equipment is manufactured to align the polarization axis of the large-diameter polarization-maintaining optical fiber with the vision system. Optical fiber end caps were manufactured by laser fusion splicing of a large-diameter polarization-maintaining optical fiber with a clad diameter of 400 μm and an end cap of 10 × 5 × 2 mm3 (W × D × H) using home-made equipment. Signal-light insertion loss, polarization extinction ratio, and beam quality M2 of the fabricated large-diameter optical fiber end caps were measured to be 0.6%, 16.7 dB, and 1.21, respectively.
Keywords: High-power fiber laser, Fiber endcap, Polarization-maintaining fiber
OCIS codes: (060.2310) Fiber optics; (140.3510) Lasers, fiber; (140.3280) Laser amplifiers; (350.3390) Laser materials processing
대구경 광섬유 엔드캡 제작장비 개발
이성헌
1†ㆍ황순휘
1ㆍ김태균
1ㆍ양환석
1ㆍ윤영갑
2ㆍ김선주
2 1LIG넥스원, 레이저연구팀 우 16911 경기도 용인시 기흥구 마북로 207 2이상테크 기술연구소 우 61007 광주광역시 북구 첨단벤처소로 38번길 33-3 (2021년 1월 28일 받음, 2021년 2월 16일 수정본 받음, 2021년 2월 17일 게재 확정) 본 논문에서는 고출력 광섬유 레이저의 핵심 부품인 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하는 장비를 설계 및 제작하였으며, 제작장비를 이용하여 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하였다. 대구경 광섬유 엔드캡 제작장비는 레이저 광을 조사하여 접속 열원으로 사용하기 위한 CO2 레이저 광원 부, 대구경 광섬유와 엔드캡의 위치를 이송하기 위한 정밀 스테이지 조립체, 스테이지 조립체와 연동되어 융착 시 정렬에 사용되는 비전 시스 템으로 구성되어 있다. 레이저 광원의 출력은 스테이지 조립체와 연동되어 출력을 제어하며, 비전 시스템으로 대구경 편광유지 광섬유의 편광 축을 정렬할 수 있도록 제작되었다. 자체 제작한 장비를 이용하여 클래드 직경이 400 μm인 대구경 편광유지 광섬유와 10(W) × 5(D) × 2(H) mm3의 엔드캡을 레이저 융착하여 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하였다. 제작된 대구경 광섬유 엔드캡의 신호광 삽입손실, 소광률 및 빔품질 (M2)은 각각 0.6%, 16.7 dB, M2x = 1.21, M2y = 1.22로 측정되었다. Keywords: 고출력 광섬유 레이저, 광섬유 엔드캡, 편광유지 광섬유OCIS codes: (060.2310) Fiber optics; (140.3510) Lasers, fiber; (140.3280) Laser amplifiers; (350.3390) Laser materials processing
†E-mail: [email protected], ORCID: 0000-0002-6108-2156 Color versions of one or more of the figures in this paper are available online.
50 한국광학회지 제32권 제2호, 2021년 4월
I. 서 론
광섬유 레이저는 계측, 통신, 의료, 군사 등 여러 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 최근 고출력 광섬유 레이저 분야의 획기적인 기술 발전으로 기존의 고체 또는 기체 레이저가 했 던 역할을 광섬유 레이저가 대체할 수 있게 되면서 산업 및 군 사 분야에 수요가 급속도로 증가하고 있다. 광섬유 레이저는 높은 전기-광 변환 효율과 우수한 빔 품질로 레이저 마킹, 가 공, 절단, 그리고 레이저 용접 등의 다양한 산업분야에 적용되 고 있다. 고출력 광섬유 레이저 개발을 위하여 필요한 핵심기 술의 하나가 광섬유 공진기 또는 광섬유 증폭기에서 발진하는 고출력 레이저 광을 이용하기 위해 안전하게 외부로 전송시킬 수 있어야 한다. 이러한 고출력 레이저 광을 전송할 수 있는 광 부품인 고출력 광섬유 엔드캡을 제작할 수 있는 전용장비 개발이 요구되고 있다[1-7]. 고출력의 광섬유 레이저 광이 광섬유에서 도파 후 유리로 이뤄진 엔드캡을 통과하여 외부로 발산하게 된다. 엔드캡의 출사면과 공기의 경계면에서 단위면적당 에너지가 손상 문턱 값 이하일 경우에 안전하게 고출력 레이저 광을 외부로 전달 할 수 있다. 유리-공기의 레이저 손상 문턱값은 연속 발진 레 이저와 1 ns 폭의 펄스 레이저에서 각각 1 GW/cm2, 40 J/ cm2이다[8,9]. 고출력 광섬유 레이저 손상을 방지하기 위해서는 단위면적당 에너지를 낮출 수 있는 대구경 광섬유와 엔드캡을 융착할 수 있는 장비가 필요하다. 기존의 단일모드 및 대구경 광섬유 융착장비는 전기 아크로 발생시킨 플라즈마를 열원으 로 사용하고 1.2 mm 이하의 광섬유 클래드 크기와 원형의 엔 드캡 형상으로 제한된다. 또한, 한 개의 광섬유를 엔드캡에 융 착할 수 있어서 광섬유 채널 확장 및 다양한 형상의 대구경 광 섬유 엔드캡을 제작할 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제점 을 해결하기 위해서 광섬유의 개수, 엔드캡의 형상과 크기에 제한이 없는 융착장비 개발이 필요하다. 광섬유와 엔드캡의 융착으로 인한 신호광의 손실로 발생하는 극소 부분의 발열은 부품을 파손시킬 수 있어서 저손실로 융착하는 기술도 매우 중요하다[10]. 엔드캡에 대구경 광섬유를 융착하기 위해 CO2 레이저를 이 용한 융착 방법을 적용할 수 있다. 주성분이 실리카로 이뤄진 광섬유는 10.6 μm의 파장에서 흡수가 높기 때문에 CO2 레이 저 광은 융착을 위한 열원으로 사용이 가능하다. 대구경 코어 를 갖는 광섬유에서 고출력 광섬유 레이저의 신호광 손실이 낮고 고품질의 빔을 유지하기 위해서는 CO2 레이저를 조사하 여 실리카의 용융점인 약 1,600℃의 온도에서 융착 공정을 진 행하여야 한다[11-13]. 본 연구에서는 국내 최초로 고출력 연속발진 편광유지 광 섬유 레이저 제작 시 사용되는 대구경 광섬유 엔드캡 융착장 비를 제작하였다. 개발된 광섬유 엔드캡 융착장비는 CO2 레 이저, 대구경 광섬유 및 엔드캡 이동을 위한 전동 스테이지 조 립체, 엔드캡과 광섬유의 정렬 및 융착 결과 이미지를 획득하 기 위한 비전 시스템으로 구성되어 있다. 레이저 열원에 따른 대구경 광섬유의 열분포를 상용 해석도구(ANSYS Thermal Transient)로 열해석을 수행하여 융착에 필요한 레이저 빔 세 기 및 조사 시간에 대한 공정조건을 도출하였다. 제작한 대구 경 광섬유 엔드캡에 대한 신호광 손실, 소광률(polarization extinction ratio), 빔품질(M2) 등의 광학적 출력 특성을 측정 하고 분석하였다.II. 대구경 광섬유 엔드캡 제작장비 제작
광 특성이 우수한 대구경 광섬유 엔드캡을 만들기 위해서 대구경 광섬유의 용융점에 도달하는 열원 공급, 정밀한 위치 제어 및 광섬유의 편광축 정렬을 위한 비전시스템으로 구성된 제작장비를 제작하였다. 그림 1(a)는 레이저를 이용하여 대구경 광섬유 엔드캡을 제 작하는 장비의 구성도를 나타낸다. 광섬유 엔드캡 제작장비 는 대구경 광섬유와 엔드캡에 레이저를 조사하여 열을 가하 는 CO2 레이저 광원부, 엔드캡과 대구경 광섬유 위치를 이송 하기 위한 스테이지 조립체, 스테이지 조립체와 연동되어 융 착 시 정렬에 사용되는 비전 시스템으로 구성되어 있다. 레 이저 광원으로 최대 출력과 파장이 각각 30 W와 10.6 μm인 CO2 레이저(Synrad, firestarV30)를 사용하였다. 대구경 광 섬유 단면부의 전체 면적에 열원을 전달하기 위해 50:50의 광 속분할기로 두 방향으로 나눴으며 스캐너를 이용하여 조사 광 의 방향을 조절하는 구조이다. 융착에 필요한 단위면적당 출 력을 확보하기 위해 초점거리가 250 mm인 렌즈를 사용하 여 648 μm의 지름으로 집광하였다. 광섬유 이동을 위한 스테 이지 조립체는 X-Y-Z 축 및 회전축 스테이지로 구성되어 있 다. X-축과 Z-축의 이송거리와 위치 정확도는 각각 70 mm, 1 μm이며 Y-축은 20 mm, 1 μm이다. 제작 가능한 엔드캡의 크기는 60(W) × 30(D) × 20(H) mm3 이하이며, 광섬유의 직 경은 600 μm 이하이다. +5 V의 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 신호를 이용하여 5 kHz의 주파수 및 듀 티 사이클의 조절로 레이저 출력을 제어한다. 측정에 사용된 엔드캡의 크기는 10(W) × 5(D) × 2(H) mm3이며, 융착면은 모서리 부분을 절삭하여 1 mm의 길이로 되어 있다. 대구경 편광유지 광섬유(Nufern, PLMA-GDF-25/400)의 코어와 클 래드 크기는 각각 25 μm, 400 μm이다. 장비의 측면에 부착 된 비전 시스템을 이용하여 그림 1(b)와 같이 대구경 광섬유 와 엔드캡 간의 거리 및 대구경 광섬유의 절단각을 측정한 결 과 각각 0.689 mm, 0.049°로 나타났다. 그림 1(c)는 엔드캡 의 후단에 위치한 10배의 배율인 비전 시스템으로 엔드캡을 투과 후 측정된 대구경 광섬유의 단면 이미지이다. 후단의 비《연구논문》 대구경 광섬유 엔드캡 제작장비 개발 ― 이성헌ㆍ황순휘 외 51 5 Width Modulation, PWM)신호를 이용하여 5 kHz의 주파수 및 튜티 사이클의 제어로 레이저 출력을 제어한다. 측정에 사용된 엔드캡의 크기는 10(W)5(D)2(H) mm이며, 융착면은 모서리 부분을 절삭하여 1 mm의 길이로 되어 있다. 대구경 편광유지 광섬유(Nufern, PLMA-GDF-25/400)의 코어와 클래드 크기는 각각 25 ㎛, 400 ㎛이다. 장비의 측면에 부착된 비전 시스템을 이용하여 그림 1(b)와 같이 대구경 광섬유와 엔드캡 간의 거리 및 대구경 광섬유의 절단각을 측정한 각각 0.689 mm, 0.049로 나타났다. 그림 1(c)는 엔드캡의 후단에 위치한 10 배의 배율인 비전 시스템으로 엔드캡을 투과 후 측정된 대구경 광섬유의 단면 이미지이다. 후단의 비전 시스템은 엔드캡과 대구경 광섬유의 코어 중심 축 정렬 및 응력봉의 편광축을 ±1° 이하로 정렬하기 위해 사용되며, 융착 후 대구경 광섬유와 엔드캡의 단면 이미지로 융착 결과를 확인한다. 그림 1(d)는 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하기 위한 자체 제작된 장비 사진을 나타낸다. 대구경 광섬유의 편광축 정렬 시 0.05°로 정확도가 높은 회전 스테이지를 적용으로 8° 이내로 회전이 제한되어, 편광 정렬 모듈을 이용하여 융착 공정 전에 편광축 정렬 모듈에서 대구경 광섬유의 편광축을 8° 이내로 광섬유 지그에 정렬한다. (a) 6 (b) (c) (d)
FIG. 1. The home-made equipment for fabrication of optical fiber endcap: (a) diagram and (d) photograph, (b) side-view image of fiber and endcap, and (c) end-face image of fiber measured by vision system.
Fig. 1. Home-made equipment for fabrication of optical fiber endcap: (a) diagram and (d) photograph, (b) side-view image of fiber and endcap,
52 한국광학회지 제32권 제2호, 2021년 4월 전 시스템은 엔드캡과 대구경 광섬유의 코어 중심 축 정렬 및 응력봉의 편광축을 ±1° 이하로 정렬하기 위해 사용되며, 융 착 후 대구경 광섬유와 엔드캡의 단면 이미지로 융착 결과를 확인한다. 그림 1(d)는 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하기 위 한 자체 제작된 장비 사진을 나타낸다. 대구경 광섬유의 편광 축 정렬 시 0.05°로 정확도가 높은 회전 스테이지의 적용으로 8° 이내로 회전이 제한되어, 편광 정렬 모듈을 이용하여 융착 공정 전에 편광축 정렬 모듈에서 대구경 광섬유의 편광축을 8° 이내로 광섬유 지그에 정렬한다.
III. 대구경 광섬유 엔드캡 제작
본 연구에서 개발된 제작장비를 이용하여 클래드 직경이 400 μm인 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하였다. 실리카의 용 융 온도는 1,600℃이므로 최저 온도가 1,600℃에 도달하는 시간을 전산 모사로 분석하였다[14]. 열해석 모델은 그림 2(a) 와 같이 광섬유의 클래드 직경과 빔 직경은 400 μm, 648 μm이며 CO2 레이저 출력은 3 W이다. 그림 2(b)는 ANSYS Thermal Transient를 이용한 열해석 결과이다. 광섬유에 열 인가를 시작하고 3초 후 최저 온도는 1,601.5℃, 최고 온도는 1,779.6℃에 도달하였으며, 이때 온도 편차(∆T)는 178.1℃이 다. 광섬유와 엔드캡의 양쪽 상부에서 레이저가 조사되어 광 섬유의 끝단부에서 중심부로 열이 전도되어 온도 편차가 발생 하지만 광섬유 전체 단면에서 용융 온도인 1,600℃ 이상으로 융착이 가능한 조건을 얻었다. 전산 모사의 융착 조건을 바탕 으로 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하였다. 그림 3은 자체 개발한 융착 장비로 제작된 대구경 광섬유 엔드캡의 사진이다. 그림 3(a)은 융착 부분의 상단 사진으로 윗부분은 1 mm 두께의 엔드캡이며, 아랫부분은 400 μm 클 래드의 대구경 편광유지 광섬유이다. 그림 3(b)는 융착된 대 구경 광섬유 엔드캡의 하단 부의 사진을 나타내며, 전체적으 로 광섬유와 엔드캡의 융착이 이루어진 것을 확인할 수 있다. 제작된 대구경 광섬유 엔드캡의 성능을 검증하기 위해 그 림 4와 같이 측정장치를 구성하여 신호광 삽입손실, 소광률, 빔품질(M2)을 측정하였다. 대구경 광섬유 엔드캡의 신호광 삽 입손실을 측정하기 위해 신호광원으로 선폭이 20 GHz, 중심 파장이 1064 nm 및 최대 출력의 세기가 25 W인 이터븀 첨 9 편광유지 광섬유이다. 그림 3(b)는 융착된 대구경 광섬유 엔드캡의 하단 부의 사진을 나타내며, 전체적으로 광섬유와 엔트캡의 융착이 이루어진 것을 확인할 수 있다. (a) (b)FIG. 3. The photograph of the fused optical fiber endcap: (a) upper and (b) lower ends.
제작된 대구경 광섬유 엔드캡의 성능을 검증하기 위해 그림 4와 같이 측정장치를 구성하여 신호광 삽입손실, 소광률, 빔품질(M2)을 측정하였다. 대구경 광섬유 엔드캡의 신호광 삽입손실을 측정하기 위해 신호광원으로 선폭이 20 GHz, 중심 파장이 1064 nm 및 최대 출력의 세기가 25 W인 이터븀 첨가 편광유지 광섬유 레이저를 이용하였다. 모드 필드 어뎁터를 이용하여 신호광 레이저의 15/130 m 출력 광섬유와 대구경 광섬유 엔드캡의 25/400 m 광섬유를 융착하여 연결하였다. 대구경 광섬유 엔드캡에서 출력되는 광의 세기를 측정한 다음 광섬유 간의 융착 손실을 제거하기 위해
Fig. 3. Photograph of the fused optical fiber endcap: (a) upper and (b)
lower ends.
8
(a)
(b)
FIG. 2. The analysis for laser splicing between optical fiber and endcap. (a) Modeling and (b) thermal analysis results using ANSYS thermal transient.
그림 3 은 자체 개발한 융착 장비로 제작된 대구경 광섬유 엔드캡의 사진이다. 그림 3(a)은 융착 부분의 상단 사진으로 윗부분은 1 mm 두께의 엔드캡이며, 아랫부분은 400 ㎛ 클래드의 대구경
Fig. 2. Analysis for laser splicing between optical fiber and endcap.
(a) Modeling and (b) thermal analysis results using ANSYS thermal transient.
8
(a)
(b)
FIG. 2. The analysis for laser splicing between optical fiber and endcap. (a) Modeling and (b) thermal analysis results using ANSYS thermal transient.
그림 3 은 자체 개발한 융착 장비로 제작된 대구경 광섬유 엔드캡의 사진이다. 그림 3(a)은 융착 부분의 상단 사진으로 윗부분은 1 mm 두께의 엔드캡이며, 아랫부분은 400 ㎛ 클래드의 대구경
가 편광유지 광섬유 레이저를 이용하였다. 모드 필드 어댑터 를 이용하여 신호광 레이저의 15/130 μm 출력 광섬유와 대 구경 광섬유 엔드캡의 25/400 μm 광섬유를 융착하여 연결 하였다. 대구경 광섬유 엔드캡에서 출력되는 광의 세기를 측 정한 다음 광섬유 간의 융착 손실을 제거하기 위해 기준점 의 위치에서 대구경 광섬유의 단면을 대구경 광섬유 절단기 (Vytran, LDC-400)를 이용하여 절단하고, 출력 센서에 정렬 하였다. 11.55 W의 기준 출력을 신호광 광섬유로 입사시키 고 출력 센서로 측정한 대구경 광섬유 엔드캡의 출력은 11.51 W로 신호광 삽입 손실은 0.6 %로 측정되었다. 대구경 광섬유 엔드캡으로부터 출력되는 빔을 초첨 거리가 100 mm인 렌즈 로 시준시킨 후 빔분할기, 반 판장판과 편광자를 이용하여 측 정된 최대 출력과 최소 출력의 세기는 각각 280 mW, 6 mW 로 소광률은 16.7 dB로 측정되었다. 그림 5는 빔품질 측정 장치(Thorlabs, M2MS-BP209IR)로 측정된 빔품질(M2) 결 과로 M2x = 1.21, M2y = 1.22로 측정되었으며, 빔프로파일에 서 가우시안 빔을 확인할 수 있다. 대구경 광섬유 엔드캡에 넣 기 전에 기준점 위치에서 측정한 빔품질(M2)은 M2x = 1.18, M2y = 1.19이었다. 대구경 광섬유 엔드캡을 통과한 후 빔품질 이 낮아진 원인은 엔드캡과 대구경 광섬유의 융착공정에서 발 생했거나 측정을 위한 광학계의 정렬 오차로 판단된다.
IV. 결 론
본 연구에서는 고출력 광섬유 레이저의 핵심 부품인 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하기 위한 제작 장비를 개발하였으며,11
FIG. 5. Beam profile and beam quality(M
2) of the fabricated optical fiber endcap at 11.51 W of the output power.
IV.
결
결
론
론
본
연구에서는
고출력
광섬유
레이저의
핵심
부품인
대구경
광섬유
엔드캡을
제작하기
위한
제작
장비를
개발하였으며,
대구경
광섬유
엔드캡을
국내
제작하여
전용
성능측정
장치를
이용하여
출력
특성을
측정하였다.
대구경
광섬유
엔드캡
제작
장비는
레이저
광원으로
최대
출력과
파장이
각각
30 W와 10.6
㎛인 CO
2레이저
광원부,
엔드캡과
대구경
광섬유
위치를
이송하기
위한
스테이지
조립체,
스테이지
조립체와
연동되어
융착
시
정렬에
사용되는
비전
시스템으로
구성되어
있다.
단위면적당
열량을
확보하기
위해
초점거리가 250 mm인
렌즈를
이용하여
레이저를
집광하였으며,
스테이지의
펄스
폭
변조(Pulse Width Modulation, PWM)
신호를
이용하여
주파수
및
튜티
사이클의
제어로
레이저
출력을
제어할
수
있도록
제작되었다.
제작된
제작장비를
검증하기
위해
대구경
광섬유
엔드캡을
제작하여
출력
특성을
측정하였다.
Fig. 5. Beam profile and beam quality (M2) of the fabricated optical fiber endcap at 11.51 W of the output power.
Fig. 4. Experimental setup for measuring the signal loss, polarization extinction ratio and beam quality (M2) of the fabricated optical fiber end-cap in the high power transmittance.
54 한국광학회지 제32권 제2호, 2021년 4월 대구경 광섬유 엔드캡을 국내 제작하여 전용 성능측정 장치를 이용하여 출력 특성을 측정하였다. 대구경 광섬유 엔드캡 제 작 장비는 레이저 광원으로 최대 출력과 파장이 각각 30 W와 10.6 μm인 CO2 레이저 광원부, 엔드캡과 대구경 광섬유 위 치를 이송하기 위한 스테이지 조립체, 스테이지 조립체와 연 동되어 융착 시 정렬에 사용되는 비전 시스템으로 구성되어 있다. 단위면적당 열량을 확보하기 위해 초점거리가 250 mm 인 렌즈를 이용하여 레이저를 집광하였으며, 스테이지의 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 신호를 이용하여 주파수 및 듀티 사이클의 조절로 레이저 출력을 제어할 수 있 도록 제작되었다. 제작된 제작장비를 검증하기 위해 대구경 광섬유 엔드캡을 제작하여 출력 특성을 측정하였다. 제작된 대구경 광섬유 엔 드캡의 신호광 손실, 소광률, 빔품질(M2)은 각각 0.6%, 16.7 dB, M2x = 1.21, M2y = 1.22로 상용 제품에서 제공하는 성능 과 유사한 결과를 얻었다. 이러한 결과는 본 연구에서 개발된 대구경 광섬유 엔드캡 제작장비로 제작된 대구경 광섬유 엔드 캡을 고출력 편광유지 광섬유 레이저에 적용이 가능할 것임을 보여준다.
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