KR100594062B1

KR100594062B1 - 낮은 잔류 응력 불연속성을 갖는 광섬유

Info

Publication number: KR100594062B1
Application number: KR1020040009520A
Authority: KR
Inventors: 박세호; 김진행
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2006-06-30
Also published as: CN1316269C; US7231121B2; CN1654995A; KR20050081327A; JP2005227786A; EP1564570A1; US20050180709A1

Abstract

본 발명에 따른 낮은 잔류 응력 불연속성을 갖는 광섬유는, 광 전송 매질인 코어와; 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함하며, 상기 코어의 반경 a와 상기 코어의 중심으로부터의 반경 r의 비(r/a)에 대하여 (r/a)=0.8~1.1에서의 축 응력의 최소값과 (r/a)=1.0~1.2에서의 축 응력의 최대값의 차이의 절대값이 나타내는 상기 코어 및 클래드 경계면의 잔류 응력 불연속성이 20.0㎫ 이하이다.

광섬유, 잔류 응력, 벤딩 손실, 복굴절

Description

낮은 잔류 응력 불연속성을 갖는 광섬유{OPTICAL FIBER HAVING THE LOW DISCONTINUITY OF THE RESIDUAL STRESS}

도 1은 전형적인 언덕형 굴절률 분포 광섬유를 설명하기 위한 도면,

도 2는 언덕형 굴절률 분포 광섬유의 잔류 응력 불일치를 설명하기 위한 도면,

도 3은 벤딩 손실 측정 장치를 나타내는 도면,

도 4 내지 도 10은 본 발명에 따른 예들을 설명하기 위한 도면들.

본 발명은 광 전송 매질에 관한 것으로서, 특히 광섬유에 관한 것이다.

광섬유 제조 공정은 크게 모재(Preform) 제조 공정과 인출(Drawing) 공정으로 나눌수 있으며, 특히 인출 공정의 인출 온도에 따라 광섬유의 코어 및 클래드 사이의 경계면에서 잔류 응력(residual stress)은 매우 달라진다. 이러한 잔류 응력의 변화는 여러 광특성에 영향을 미치므로, 인출 온도로 잔류 응력을 제어하거나 혹은 잔류 응력이 인출 온도의 영향을 받지 않는 조성을 설계하는 것은 매우 중요하다.

또한, 가입자 망(Access Network), FTTH(Fiber-to-the-home), LAN(Local Area Network), 혹은 WAN(Wide Area Network)의 광전송 매질로서 주로 이용되는 광섬유(10Mbps, 100Mbps, 1 Gbps 및 10 Gbps 이더넷용 광섬유들을 포함함)는 선로 설치 및 운용시 관로, 건물 내 혹은 복잡한 사무실 내에 설치되면서 많은 굴곡을 지나야 하며, 이러한 굴곡이 통신의 중요한 인자인 손실에 영향을 주어서는 안된다.

도 1은 전형적인 언덕형 굴절률 분포 광섬유를 설명하기 위한 도면이다. 상기 언덕형 굴절률 분포 광섬유(110)는 코어(120)와, 상기 코어(120)를 둘러싸는 클래드(130)를 포함한다. 상기 코어(120)의 굴절률 분포는 하기 <수학식 1>로 나타낼 수 있으며, 상기 언덕형 굴절률 분포 광섬유(110)의 중요한 광특성 중의 하나인 대역폭(modal bandwidth)은 하기 <수학식 1>에서 α값에 영향을 많이 받는다.

상기 <수학식 1>에서, n은 상기 언덕형 굴절률 분포 광섬유(110)의 코어(120)의 굴절률, n₁은 코어(120) 중심(r=0)에서의 굴절률, Δ는 상대 굴절률 차(Relative index difference), a는 코어(120) 반경, r은 코어(120) 중심으로부터의 반경, α는 코어 형상 지수를 나타낸다. α값은 상기 코어(120)와 상기 클래드(130)의 경계면(r/a=1)에서의 잔류 응력의 불연속성에 민감한 영향을 받는 다. 특히, 상기 코어(120)와 상기 클래드(130)의 조성 차이, 혹은 가열 온도, 냉각 속도, 인출 속도 등의 광섬유 인출 조건은 잔류 응력의 불연속성(discontinuity)에 매우 큰 영향을 미친다.

한편, 광섬유의 벤딩 손실에 관한 기존 기술로는 주로 코어와 클래드의 굴절률 구조를 변화시켜 단일모드 광섬유의 벤딩 손실을 감소시키는 방법들이 공지된 바 있으나, 본 발명이 목적하는 잔류 응력의 불연속성(discontinuity)을 제어하는 기술은 공지된 바 없다.

카니발 등(Carnevale, et al.)에 의해 발명되어 특허허여된 미국 특허번호 제4,412,722호{Single mode fiber with graded index of refraction}는 단일 모드 광섬유의 코어를 언덕형으로 만드는 방법을 개시하며, 하지스 등(Hodges, et al.)에 의해 발명되어 특허허여된 미국 특허번호 제4,838,643호{Single mode bend insensitive fiber for use in fiber optic guidance applications}는 클래드 영역의 일부에 저하 영역(depressed region) 또는 고립 트렌치(isolated trench)를 갖는 구조를 개시하고 있다. 상(Shang)에 의해 발명되어 특허허여된 미국 특허번호 제5,032,001호{Optical fiber having enhanced bend resistance}는 클래드 영역에서 상승 영역(increased region) 및 저하 영역을 갖는 구조를 개시하고 있다. 안토스 등(Antos, et al.)에 의해 발명되어 특허허여된 미국 특허번호 제5,278,931호{Low bend loss singlemode optical waveguide fiber}는 내부 코어의 굴절률을 높여서 영분산 파장은 유지하면서 MFD(mode field diameter)를 감소시키거나, 코어 및 클래드 사이의 경계면에서 디퓨전 테일(diffusion tail) 효과를 감 소시켜 불필요한 차단 파장, MFD 증가를 억제하거나, 외부 영역에 링(ring) 구조를 적용하여 외부 코어 굴절률 증가로 야기된 영분산 파장 증가를 억제하는 방법을 개시하고 있다. 다비(Dabby)에 의해 발명되어 특허허여된 미국 특허번호 제5,175,785호{Optical waveguides having reduced bending loss and method of making the same}는 코어와 클래드의 굴절률 차는 낮추고, 영분산 파장보다 상당히 큰 차단 파장을 갖도록 가상 단일 모드(virtual single mode) 구조로 이중 모드(dual mode) 혹은 다중 모드(multimode)를 지원할 수 있는 구조를 개시하고 있다.

상술한 바와 같이, 종래의 광섬유는 인출 조건에 따른 코어 및 클래드 사이의 경계에서 잔류 응력 변화가 매우 심하다는 문제점이 있으며, 또한 최근의 가입자 망, FTTH(Fiber-to-the-home), LAN(Local Area Network), 혹은 WAN(Wide Area Network)에서 발생하는 작은 벤딩(직경~10mm)에도 벤딩 손실이 크다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 코어와 클래드의 경계에서의 잔류 응력 불연속성이 낮은 광섬유를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 벤딩 손실이 낮은 광섬유를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 가열 온도, 인출 속도, 냉각 속도 등의 인출 조건에 민감하지 않은 광섬유를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유는, 광 전송 매질인 코어와; 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함하며, 상기 코어의 반경 a와 상기 코어의 중심으로부터의 반경 r의 비(r/a)에 대하여 (r/a)=0.8~1.1에서의 축 응력의 최소값과 (r/a)=1.0~1.2에서의 축 응력의 최대값의 차이의 절대값이 나타내는 상기 코어 및 클래드 경계면에서의 잔류 응력 불연속성이 20.0㎫ 이하이다. 바람직하게는, 상기 광섬유는 반경 5mm의 원통에 15회 감아 측정한 벤딩 손실이 2.0dB 미만이다.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 2는 언덕형 굴절률 분포 광섬유의 잔류 응력 불일치를 설명하기 위한 도면이다. 상기 언덕형 굴절률 분포 광섬유는 코어와 상기 클래드를 포함한다. 도 2에서, z는 전파 축(propagation axis),

는 코어 모드(core mode)의 고유 벡터(eigen vector),

는 클래드 모드(cladding mode)의 고유 벡터,

은 코어의 복굴절 벡터(birefringence vector),

는 클래드의 복굴절 벡터를 나타낸다.

상기 코어 모드의 고유 벡터들은 하기 <수학식 2>를 만족한다.

이 때, i≠j이며, i 및 j는 각각 1 또는 2이다. 1은 코어 모드, 2는 클래드 모드를 각각 나타낸다.

또한, 코어 모드의 고유 벡터와 클래드 모드의 고유 벡터는 하기 <수학식 3>과 같은 관계가 있다.

이 때, i≠j이며, i 및 j는 각각 1 또는 2이다.

복굴절에 의한 코어 모드와 클래드 모드의 커플링(coupling)은 하기 <수학식 4>와 같이 주어진다.

이 때, i≠j이며, i 또는 j는 각각 1 또는 2이다. H_b는 복굴절에 대한 모드 커플링 해밀토니안(Hamiltonian) 연산자이다.

따라서, 벤딩 손실은 하기 <수학식 5>와 같이 주어진다.

이 때, i≠j이며, i 및 j는 각각 1 또는 2이다.

상기 <수학식 5>에서, r은 굽힘 반경(bending radius), r_b는 임계 굽힘 반경(critical bending radius)을 나타낸다.

상기 <수학식 5>로부터, 코어와 클래드의 복굴절 차이

가 클수록 벤딩 손실이 큰 것을 알 수 있다. 또한 동일한 벤딩 손실에 대하여 코어와 클래드의 복굴절 차이

가 클수록 임계 굽힘 반경(critical bending radius)가 큰 것을 알 수 있다. 임계 굽힘 반경이 클수록 선로의 설치 및 운용시 벤딩 손실이 증가할 가능성이 매우 높고 설치 조건이 제한될 수 있다. 그러므로, 벤딩 손실을 감소시키기 위해서는 코어와 클래드의 복굴절 차이를 감소시켜야 함을 알 수 있다. 일반적으로, 코어와 클래드의 경계 근처에서

가 최대가 되므로, 코어와 클래드의 경계면에서의 복굴절 차이

가 벤딩 손실을 지배하는 요소임을 알 수 있다. 그러므로, 벤딩 손실을 감소시키기 위해서는 코어와 클래드의 경계면에서 복굴절 차이를 감소시켜야 한다.

광섬유 내 복굴절은 코어와 클래드의 조성들과 잔류 응력에 따라 다르게 분포할 수 있다. 예를 들어, 복굴절 계수가 큰 물질을 첨가하거나, 광섬유 인출 중 코어와 클래드의 점성도(viscosity) 차이에 의해 코어와 클래드의 복굴절 차이가 발생할 수 있다. 즉, 코어와 클래드의 복굴절 차이는 하기 <수학식 6>으로 나타낼 수 있다.

상기 <수학식 6>에서, b_m은 첨가 물질에 의한 복굴절 기여 정도, b_s는 잔류 응력에 의한 복굴절 기여 정도이다. P, Ge과 같이 분극도(polarizability)가 높은 물질은 b_m의 기여가 크다. 한편, 가열 온도, 인출 속도, 냉각 속도 등의 광섬유 인출 조건은 bs의 기여가 크다.

또한, 광섬유 모재를 용융하여 인출하는 공정에서 코어와 클래드의 냉각 속도 차이가 발생하면, 코어와 클래드에 인가된 인출 장력의 차이가 발생한다. 광섬유가 냉각하여 경화되면, 인출 장력이 잔류 응력으로 남게된다. 또한 Ge, P, F, Cl 등의 첨가 물질은 유리 전이 온도를 낮추어 경화를 지연시키거나, 열수축 정도를 크게 만든다. 만약 코어와 클래드의 첨가 물질의 농도가 서로 다르면, 경화 속도와 열수축 정도가 다르므로 경계면에 잔류 응력의 불연속성이 발생한다. 그러므로, 가열온도, 인출 속도, 냉각 속도 등 인출 조건을 포함하여, 코어와 클래드의 조성 차이에 따른 열수축, 냉각 속도, 유리 전이 온도의 차이에 결과한 b_s의 기여가 발생한다.

하기 <표 1>은 다양한 언덕형 굴절률 분포 광섬유들의 코어와 클래드의 경계면에서의 잔류 응력 불연속성 정도를 나타낸다. 하기 <표 1> 상의 언덕형 다중 모드 광섬유들의 코어와 클래드의 직경들은 동일하며, 코어와 클래드의 조성들이 서로 다르다. 예를 들어, 상기 코어의 반경은 8.5±1.5㎛, 25.0±1.5㎛, 31.25±1.5 ㎛, 일 수 있고, 상기 클래드의 반경은 62.5±2.5㎛일 수 있다.

예	클래드 조성	증착 클래드조성	코어 조성	코어와 클래드의 경계면에서의 잔류 응력 불연속성 정도
1	SiO₂		SiO₂-GeO₂	연속
2	SiO₂	SiO₂	SiO₂-GeO₂	연속
3	SiO₂		SiO₂-GeO₂-P	불연속
4	SiO₂		SiO₂-GeO₂-F	불연속
5	SiO₂		SiO₂-GeO₂-P₂O₅-F	불연속
6	SiO₂	SiO₂-GeO₂-P₂O₅-F	SiO₂-GeO₂-P₂O₅-F	불연속

상기 <표 1>에서, 증착 클래드는 클래드과 코어 사이에 증착되는 클래드를 말한다. 이 때, 코어와 클래드의 경계면이란 코어와 증착 클래드의 경계면을 말한다. 상기 예 1에서, 코어는 80~100 wt%의 SiO₂와 0~20 wt%의 GeO₂로 이루어질 수 있다.

잔류 응력 일치는, "a"를 언덕형 굴절률 분포 광섬유의 코어의 반경이라고 하고 "r"을 코어 중심으로부터의 반경이라고 할 때, (r/a)=0.8~1.1에서의 축 응력(axial stress)의 최소 값과 (r/a)=1.0~1.2에서의 축 응력의 최대 값의 차의 절대값이 나타내는 코어 및 클래드의 경계면에서의 잔류 응력 불연속성이 20.0㎫ 이하인 경우를 말한다.

김진한 등에 의해 발명된 특허 공개번호 제20002/0126944호{Apparatus and method for measuring residual stress and photoelastic effect of optical fiber}는 이러한 잔류 응력에 의한 복굴절 값을 측정하는 방법을 개시하였다. 단, 이 방법으로 측정한 복굴절 값은 상기 <수학식 6>에서 Ge, P 등의 코어 조성에 의한 기여(b_m) 및 잔류 응력의 기여(b_s)의 총합에 비례한다. 그러므로, 본 발명에서는 <수학식 6>의 복굴절 값의 총합을 상기 방법에 의해 측정한 축 응력 값으로 대체하여 기술한다.

도 3은 벤딩 손실 측정 장치를 나타내는 도면이다. 상기 측정 장치(200)는 백색 광원(210)과, 굴절률 매칭 오일(220)과, 대상 광섬유(230)와, OSA(optical spectrum analyzer, 240)를 포함한다. 벤딩 손실 측정은 대상 광섬유(230)를 반경 5㎜ 원형 막대에 15 번 감은 후와 감기 전의 손실값들을 측정함으로써 이루어진다. 단, 상기 광섬유(230)를 감은 횟수가 본 발명을 한정하지는 않는다. 상기 백색 광원(210)에서 출력된 광은 상기 굴절률 매칭 오일(220)을 지나면서 클래드로 진행하는 모드가 제거된 후, 상기 OSA(240)에 입력된다. 이 때, 상기 대상 광섬유(230)의 측정 길이는 3m로 한다. 단, 상기 광섬유(230)의 측정 길이가 본 발명을 한정하지는 않는다.

이하, 도 4 내지 도 10을 참조하여, 상기 <표 1>에 개시된 예들의 특성들을 비교하기로 한다.

도 4는 잔류 응력 불연속성이 낮은 광섬유의 벤딩 손실 곡선(310)과 잔류 응력 불연속성이 높은 광섬유의 벤딩 손실 곡선(320)을 나타낸 도면이다. 850±10nm 파장 대역에서, 잔류 응력 불연속성이 낮은 광섬유가 불연속성이 높은 광섬유보다 벤딩 손실이 약 1.6㏈ 정도 낮았다. 도시된 바와 같이, 잔류 응력 불연속성이 낮은 광섬유는 2.0㏈ 미만의 벤딩 손실을 가짐을 알 수 있다.

도 5는 잔류 응력 불연속성이 낮은 광섬유의 벤딩 손실 곡선(410)과 잔류 응력 불연속성이 높은 광섬유의 벤딩 손실 곡선(420)을 나타낸 도면이다. 1300±10nm 파장 대역에서, 불연속성이 낮은 광섬유가 불연속성이 높은 광섬유보다 벤딩 손실이 약 1.5㏈ 정도 낮았다. 도시된 바와 같이, 잔류 응력 불연속성이 낮은 광섬유는 2.0㏈ 미만의 벤딩 손실을 가짐을 알 수 있다.

도 6은 예 1의 잔류 응력 분포를 나타내는 도면이다. 코어와 클래드의 경계면(r/a=1.0)에서 잔류 응력 불연속성이 약 2~3 ㎫ 정도임을 알 수 있다.

도 7은 예 3의 잔류 응력 분포를 나타내는 도면이다. 코어와 클래드 경계면에서 잔류 응력 불연속성이 약 25 ~ 30 ㎫ 정도임을 알 수 있다.

도 8은 예 4의 잔류 응력 분포를 나타내는 도면이다. 코어와 클래드 경계면에서 잔류 응력 불연속성이 약 25 ~ 30 ㎫ 정도임을 알 수 있다.

도 9는 잔류 응력 불연속성이 높은 광섬유의 인출 온도에 따른 잔류 응력 분포 곡선들을 나타낸 도면이다. 제1 곡선(530)은 인출 온도가 2100℃이고, 제2 곡선(520)은 인출 온도가 2150℃이고, 제3 곡선(510)은 인출 온도가 2200℃이다. 인출 온도가 감소할 때, 코어와 클래드의 경계면(r/a=1.0)에서 잔류 응력 불연속성은 약 25㎫에서 약 80㎫으로 증가하였다.

도 10은 광섬유 인출공정 중 가열온도(또는 인출온도)에 따라 상이한 잔류 응력 불연속성에 대한 코어 조성의 영향을 나타내고 있다. 예 3의 잔류 응력 불연속성 값(620)은 가열온도가 2,000~2,200℃로 증가할 때, 약 80㎫에서 약 25㎫으로 변화하는 반면, 예 1의 잔류 응력 불연속성 값(610)은 가열 온도의 증가에 따라 그 변화량이 약 10㎫미만으로 미미하다. 그러므로, 예 1의 광섬유는 인출 공정 중 모재 형상 변화, 사용시간 증가에 의한 가열로의 열화 등에 기인한 가열 온도의 변동에 대한 잔류 응력 불연속성의 변동이 최소화될 것으로 충분히 유추할 수 있다. 또한 상기 작용을 통해, 언덕형 굴절률 분포의 균일하고 정밀한 제어가 가능하여 1Gigabit급 이상의 전송이 가능한 광섬유 제조가 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유는 벤딩 손실이 매우 낮기 때문에, 가입자 망(Access Network), FTTH(Fiber-to-the-home), LAN(Local Area Network), 혹은 WAN(Wide Area Network) 등에서 복잡한 수직 또는 수평 배선, 좁은 관로 등에 설치 및 운용이 적합하다는 이점이 있다. 더욱이, 상기 광섬유는 1 Gbps 이상의 전송 속도를 갖는 통신망에 적용되기에 적합한 광특성을 보유한다.

또한, 본 발명에 따른 언덕형 굴절률 분포 광섬유는 인출 조건에 민감하지 않으므로, 균일한 품질의 광섬유를 연속 제조할 수 있는 이점이 있다.

Claims

광섬유에 있어서,

광 전송 매질인 코어와;

상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함하며,

상기 코어의 반경 a와 상기 코어의 중심으로부터의 반경 r의 비(r/a)에 대하여 (r/a)=0.8~1.1에서의 축 응력(axial stress)의 최소값과 (r/a)=1.0~1.2에서의 축 응력의 최대값의 차이의 절대값이 나타내는 상기 코어 및 클래드 경계면의 잔류 응력 불연속성(discontinuity)이 20.0㎫ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 코어는 언덕형 굴절률 분포를 가짐을 특징으로 하는 광섬유.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광섬유는 다중모드 광섬유를 포함함을 특징으로 하는 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 코어는 80~100 wt%의 SiO₂와 0~20 wt%의 GeO₂로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 클래드는 SiO₂로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 광섬유는 1 Gbps 이상의 전송 속도에 적용됨을 특징으로 하는 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 광섬유를 반경 5mm의 원통에 15회 감아 측정한 벤딩 손실이 2.0dB 미만인 것을 특징으로 하는 광섬유.
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