KR100272325B1 - 광섬유 증폭기 및 커플러 - Google Patents

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워렌 홀 더글라스
제임스 밀러 윌리암
윌리암 웨브 토마스
리 웨이드맨 데이비드
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알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 첫번째 및 두번째 광섬유 커플러를 가지는 광섬유 커플러와 결합되는 이득 섬유가 함유된 광섬유 증폭기에 관한 것이다. 상기 커플러 섬유를 그 길이를 따라서 함께 용융하여 파장 λs의 대부분의 광선파우어가 상기 섬유 사이에 커플러되는 파장 의존 커플링 영역을 형성하고, 상기 첫번째 섬유로 유입된 파장 λp의 대부분의 광선파우어는 상기 첫번째 섬유에 잔존한다. 상기 첫번째 커플러 섬유의 모드 영역 직경은 실제적으로 상기 이득 섬유의 것과 부합되고, 상기 두번째 커플러 섬유의 것보다 작다. 상기 첫번째 커플러 섬유의 한쪽 말단부는 상기 이득 섬유와 접속된다. 전송 섬유를 상기 이득 섬유와 접속시키고, 레이져 다이오는 파장 λp의 펌핑 광선을 상기 첫번째 커플러 섬유로 유입시킨다. 상기 광섬유 커플러는 바람직하게 신장된 유리 매트릭스의 몸체를 통해서 확장된 적어도 첫번째 및 두번째 커플러 섬유를 포함한다. 상기 유리 매트릭스는 크래딩 섬유의 것보다는 작은 굴절률 ns를 가진다. 상기 섬유는 상기 유리 매트릭스의 중간영역을 따라 함께 용융되고, 상기 광섬유의 코아는 상기 말단면에서 보다 상기 중간영역의 중심 부위에 더 근접하게 위치해 있어서 상기 커플링 영역을 형성한다.

Description

광섬유 증폭기 및 커플러
제1도는 대표적인 종래의 광섬유 증폭기의 개략도이고,
제2도는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 개략도이며,
제3도는 출력 광섬유 커플러를 갖는 광섬유 증폭기의 개략도이고,
제4도 및 제5도는 각각 역 펌핑 및 이중 말단 디바이스를 도시한 것이며,
제6도는 입력 커플러로서 일치되지 않는 모드 영역 커플러의 사용을 도시한 것이고,
제7도는 다른 커플러 실시예의 단면도이며,
제8도는 커플러 예형의 하나의 말단부의 단면도이고,
제9도는 제8도의 9-9선에 따른 단면도이며,
제10도는 상기 커플러 예형을 붕괴시키고(collapsing) 그 중간영역을 인출하는 장치의 개략도이고,
제11도는 본 발명에 의해 제조된 커플러에 대한 결합 전력(coupled power)대 파장(wavelength)의 그래프이다.
[발명의 배경]
본 발명은 광섬유 전송 시스템 및 광섬유 증폭기(amplifier)와 상기 시스템에 사용되는 광섬유 커플러(coupler)에 관한 것이다.
섬유 증폭기에는 촉진된 방사(radiation) 방출(emission)에 의해 유용한 이득(gain)이 제공되고, 통상적으로 제1도의 이득 섬유(10)가 함유되고, 상기 섬유의 코어는 활성 도펀트 이온(active dopant ions)을 함유한다. 파장 분할 멀티플렉서(wavelength division multiplexer, WDM) 광섬유 커플러(11)는 파장 λp의 펌프 전력(pump power)을 레이저 다이오드(laser diode)(15)로부터 및 파장 λs의 신호를 입력 전송 섬유(input telecommunication fiber 14)로부터 이득 섬유(10)까지 결합하는데 사용될 수 있다. 이러한 디바이스는 예를 들면, 미국 특허 제4,938,556호, 제4,941,726호, 제4,955,025호 및 제4,959,837호에 개시되어 있다. 커플러(11)로부터 확장된 섬유 피그테일(pigtails)은 융합 접속(fusion splices) 또는 버트 접합 접속기(butt joint connector)에 의해 다른 광섬유와 연결되는데, 접속(splices)이 낮은 반사와 삽입 손실(insertion loss)을 갖기 때문에 바람직하다.
제1도의 시스템에서, 접속(16)은 입력 섬유(14)를 커플러 섬유(13)에 연결시키고, 다른 접속(17)은 이득 섬유(10)를 다른 커플러 섬유(12)에 연결시킨다. 적절한 증폭기 작동을 위하여, 자발적인 신호 비트 노이즈(signal beat noise) 한계 때문에 상기 증폭기의 신호 대 노이즈비(S/N)를 최대로 하기 위하여 접속(16)에서 입력 신호 접속 손실이 작아야 하는데, 상기 증폭기의 전기적 S/N은 상기 광 결합 효율에 선형적으로 종속한다. 또한 증폭기 이득이 상기 이득 섬유에 결합된 펌프 전력의 양에 관계하므로, 상기 커플러 섬유(12)와 상기 이득 섬유(10) 사이의 접속 손실은 양호한 결합 효율(상술한 S/N 이유와 같은 것으로)과 펌프 결합 효율을 위하여 낮아야 한다.
상업적으로 사용 가능한 전송 섬유는 통상 1550nm에서 9∼11㎛와 1000nm에서 6∼8㎛의 범위에서 모드 영역 직경(mode field diameters, MFDs)을 갖는다. 종래의 WDM 커플러(11)는 통상적으로 전송 섬유에 접속 손실을 최소화시키기 위하여 선택된 두개의 일치된 섬유로 제조되었다. 통상적인 전송 섬유에서 알려진 상대 지수 차이(relative index differences) △에서, 상기 두 가지 섬유의 MFD′의 비가 1550nm에서 1:1.05보다 작고 1000nm에서 1:1.14보다 작을 때 0.1dB보다 작은 접속 손실을 얻는다.
이득 섬유는 상기 펌프 및 신호 빔의 강도가 높을 때 최상으로 작동한다. 이는 상기 이득 섬유에 비교적 작은 MFD를 제공함으로써 달성될 수 있는데, 이 특성은 광전력(light power)이 섬유축을 따라 상대적으로 작은 영역으로 집중되도록 한다. 상기 “고이득(high gain)” 또는 “고효율(high efficiency)” 섬유는 상대적으로 큰 코어/클래드(△) 및 상대적으로 작은 코어 직경을 사용함으로서 달성될 수 있다. 고이득 섬유에 대한 최대 허용 MFD는 없으나, 상기 섬유의 MFDs는 표준 전송 섬유의 MFDs보다 작아야 하며, 그 차이는 1.5:1보다 큰 것이 바람직하다.
MFD가 작은 고이득 섬유(10)와 MFD가 큰 섬유(12) 사이의 모드 영역 불일치는 접속(17)에서 높은 삽입 손실을 야기시킨다. 예로서, 1550nm 및 1000nm에서 각각 6.4㎛ 및 3.7㎛의 MFDs를 갖는 에르븀(erbium)으로 도프된(doped) 이득 섬유를 사용하는 전송 시스템을 고려해 본다. 상기 이득 섬유는 1530∼1560nm 사이의 파장에서 신호를 증폭할 수 있는데; 사용 가능한 다양한 펌프 파장에서 980nm가 바람직하다. 1550nm 및 1000nm에서 각각 10.5㎛ 및 5.7㎛의 MFDs를 가진 상기 이득섬유와 전송 섬유의 접속은 1536nm 및 980nm에서 각각 0.5dB 및 1.7dB의 접속 손실을 나타낸다. 상기 접속 손실은 증폭기 이득 및 상기 증폭기의 사용 가능한 출력전력을 감소시킨다.
[발명의 요약]
본 발명의 목적은 향상된 광섬유 증폭기 및 유용한 전송 시스템을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 섬유 증폭기에 사용되는 WDM 커플러를 제공하는 것인데, 상기 커플러는 펌프와 신호 파장에 대하여 낮은 삽입 손실을 나타내고 결과적으로 전송 섬유와 이득 섬유의 접속에서 접속 손실이 낮다. 본 발명은 현저하게 다른 MFDs(△값과 코어 직경이 다른 결과로서)를 가진 섬유들이 펌프와 신호 파장에서 낮은 접속 손실을 나타내는 WDM 커플러를 제조하는데 사용될 수 있다는 사실에 기초하였다.
본 발명의 일면은 제1 및 제2광섬유 커플러를 갖는 광섬유 커플러와 관련이 있다. 상기 섬유는 그 길이의 부분을 따라 함께 용융되어 상기 섬유들 사이에 광전력이 결합되는 결합 영역을 형성한다. 상기 결합은 파장에 종속하여 파장 λs의 대부분의 광전력이 상기 제1 및 제2 커플러 섬유 사이에 결합되고, 상기 제1 섬유로 도입된 파장 λp의 대부분의 광전력은 상기 제1 섬유에 잔존한다. 적어도 상기 제1 커플러 섬유의 일부분의 모드 영역 직경은 상기 제2 커플러 섬유의 것보다 작은 것인데; 상기 제2 섬유의 모드 영역 직경 대 상기 제1 섬유의 모드 영역 직경의 비는 적어도 1.5:1이 바람직하다.
상기 제1 커플러 섬유는 상기 결합 영역 내에서 함께 용융되는 두개의 섬유단편(segment)으로 구성될 수 있다. 상기 섬유 단편의 하나는 레이징(lasing) 물질로 도프된 코어를 갖는 이득 섬유로 구성될 수 있다. 상기 두개의 섬유 단편들의 모드 영역 직경은 서로 다를 수 있으며, 또한 일치될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 광섬유 커플러는 상기 제1 및 제2 커플러 섬유를 통해서 확장된 유리 매트릭스의 신장된 몸체를 구성할 수 있다. 두 개의 대향된 말단면 및 하나의 중간 영역을 갖는 상기 유리 매트릭스 몸체는 클래딩 섬유의 것보다 낮은 굴절률 n3을 가진다. 상기 섬유는 상기 유리 매트릭스의 중간영역을 따라 함께 용융되고, 상기 광섬유의 코어는 상기 말단면에서 보다 상기 중간영역의 중심 부위에 더 근접하게 위치해 있어서 결합 영역을 형성한다.
본 발명의 또 다른 측면은 상술한 커플러와 결합하는 신호 증폭 이득 섬유 수단으로 구성된 섬유 증폭기와 관련이 있다. 상기 제1 커플러 섬유의 하나의 말단부를 상기 이득 섬유 수단과 연결시킨다. 상기 제1 커플러 섬유의 모드 영역 직경은 상기 이득 섬유 수단의 것과 일치된다.
상기 섬유 증폭기는 파장 λs의 광전력을 상기 이득 섬유 수단으로 도입시키는 입력 신호 수단과, 파장 λp의 펌핑 광전력을 상기 제1 커플러 섬유로 도입시키는 펌프원 수단으로 구성된 것으로서 유용한 시스템이다. 상기 입력 신호 수단은 상기 제2 커플러 섬유와 연결된 전송 광섬유로 구성될 수 있다. 선택적으로, 상기 입력 신호 수단은 상기 이득 섬유 수단과 연결된 전송 광섬유 말단부로 구성될 수 있는데, 출력 전송 광섬유는 상기 제2 커플러 섬유와 연결되어 있다. 상기 다양한 섬유들 사이의 연결은 융합 접속이 바람직하다.
[실시예]
본 발명을 도면에 의하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도에서, 본 발명의 섬유 증폭기는 두개의 서로 다른 광성유(21 및 13′)로 제조된 WDM 커플러(20)를 사용한다. 제1도의 것과 비슷한 제2도의 요소는 인용부호에 프라임(′)을 붙여서 나타내었다. 섬유(13′)는 전송 섬유(14′)의 것과 일치되는 MFD의 광섬유이며; 사실은 상기 섬유들(13′ 및 14′)은 동일한 형태의 섬유로 제조될 수 있다. 섬유(21)는 이득 섬유(10′)의 것과 일치되는 MFD의 광섬유이며, 상기 두 광섬유는 접속(21)에 의해 연결된다. 상기 이득 섬유의 MFD가 적합한 전력 밀도를 달성할 수 있을 정도로 충분히 작은 섬유 증폭기 시스템에서, 상기 섬유(13′)의 MFD와 섬유(21)의 MFD의 비는 통상적으로 적어도 1.5:1이다. 광신호가 전파하지 않는 이득 섬유의 일부분에 펌프 전력을 적용하는 것은 바람직하지 않다. 그러므로, 적어도 커플러(20)와 펌프원 사이에서 확장하는 섬유(21)의 부분은 레이징 도펀트(lasing dopant)를 함유하지 못한다. 가장 간단한 제조에서, MFD가 작은 전체 커플러 섬유는 레이징 도펀트가 없다.
커플러 섬유들(21 및 13′)의 MFD′s 사이의 비교적 큰 차이는 전파상수들 사이에 큰 차이를 야기시킨다. 상기 차이의 효과는 본 발명에서 인용된 미합중국 특허 제4,391,076호에 기재된 형태의 커플러를 사용함으로서 최소화시킨다. 상기 특허에 따르면, 클래딩 유리 섬유보다 낮은 굴절율을 가지는 유리 매트릭스로 상기 결합된 섬유를 둘러싼다. 상기 코어가 상기 결합 영역에서 너무 작아져서 그의 전파 효과도 매우 작아진다. 상기 클래딩 섬유 직경이 충분히 작아질 때, 상기 클래딩이 상기 섬유의 광 인도(guiding) 부분으로서 역할을 하고, 그를 둘러싼 낮은 굴절율의 매트릭스 물질은 클래딩으로서의 역할을 한다. 따라서 전력은 상기 결합 영역에서 상기 근접하게 위치한 클래딩 섬유들 사이에서 이동한다. 상기 커플러 섬유의 신장된 영역과 신장되지 않은 영역 사이에서 결합 영역의 길이와 전이 영역의 경사도를 조절함으로써, 상기 커플러의 스펙트럼의 특성을 조절하는데 상기 MFD가 큰 섬유에서 신호 광 전파의 높은 비율은 MFD가 낮은 섬유와 결합되고, 상기 MFD가 작은 섬유에서 펌프원 광 전파의 낮은 비율은 MFD가 큰 섬유와 결합된다.
만약, 이득 섬유(10′)가 출력 전송 섬유(25)와 접속된다면, 상기 접속은 손실을 나타낼 것이다. 테이퍼링(tapering) 섬유와 같은 결합 수단(24) 또는 커플러(20)와 유사한 커플러는 비교적 낮은 접속 손실을 제공한다.
제3도의 커플러(27)는 이득 섬유(10′)와 출력 전송 섬유(25′) 사이에 낮은 접속 손실을 제공한다. 상기 커플러 섬유(28)의 MFD는 상기 이득 섬유(10′)의 것과 일치되고, 상기 커플러 섬유(29)의 MFD는 상기 전송 섬유(25′)의 것과 일치된다.
또한 본 발명의 불일치된 모드 영역 커플러도 선택적인 펌핑 구성을 사용한 섬유 증폭기에서 유용하다. 제4도의 역-펌핑 디바이스에서, 접속(33) 또는 이와 유사한 것에 의해서 이득 섬유(10′)와 입력 섬유(32)를 접속시킨다. 증폭된 신호를 출력 섬유(35)와 결합 하는 커플러(34)에 의해서 파장 λp의 펌핑 광을 이득 섬유(10′)와 결합시킨다.
제5도의 이중-말단 디바이스에서, 커플러(37)는 상기 신호 광 및 하나의 펌핑원을 제2도의 결합에서 상술한 바와 같이 이득 섬유(10′)과 결합하고, 커플러(39)는 상기 신호 광 및 제2 펌핑원을 제4도의 결합에서 상술한 바와 같이 이득 섬유(10′)과 결합한다. 상기 일치된 MFDs의 섬유들 사이에서 제4도 및 제5도의 접속(S)을 만든다.
제6도에 도시한 바와 같이, 불일치된 모드 영역 커플러(41)도 레이저 다이오드(44)로부터 전송 섬유(45)로 낮은 삽입 손실의 괄을 도입시키는데 사용될 수 있다. 높은 NA(큰 코어/클래드 △) 렌즈 섬유(42)를 사용할 때 레이저 다이오드로부터 렌즈 섬유(lensed fiber)로의 결합 효율이 증가하는 것으로 알려져 있다. 커플러(41)는 고효율을 갖는 전송 파장에서 광을 결합할 수 있다. 상기 섬유들의 MFDs가 일치되기 때문에 상기 커플러 섬유(43)와 섬유(45) 사이의 접속(46)은 극히 낮은 삽입 손실을 나타낸다. 상기 디바이스로 인-라인(in-line) 커플러가 사용된다면, 이와 유사한 낮은 손실의 접속(48)이 입력 전송 섬유(47)와 커플러 섬유(43) 사이에서 제조될 수 있다.
상기 커플러와 상기 이득 섬유 사이의 접속 손실은 제7도의 커플러(50)를 사용함으로써 현저하게 제거될 수 있다. 섬유(51)를 포함한 커플러(50)의 MFD는 접속하기에 적합한 형태의 전송 섬유의 것과 일치된다. 접촉 영역(55)에서 상기 커플러의 하부 목부분(the necked down portion) 내에서 접속된 두개의 광섬유(53 및 54)로 커플러 섬유(52)를 제조한다. 섬유(54)는 상기 이득 섬유이고, 그의 코어는 레이징 도펀트를 함유한다. 상술한 실시예와 같이, 상기 섬유(53)의 MFD는 섬유(54)의 것과 일치할 수 있다. 선택적으로, 상기 섬유(53)의 MFD는 섬유(54)의 것과 다를 수 있으며, 그의 MFD는 다른 섬유 또는 펌핑 광의 레이저 다이오드 원의 전력을 효과적으로 수신한다. 상기 접속이 상기 섬유의 △ 및 코어 직경이 작은 효과를 가지는 점, 즉 상기 커플러의 하부 목부분에 위치하기 때문에 상기 섬유들(53 및 54) 사이의 불일치된 모든 모드 영역의 효과를 최소화시킨다.
본 발명의 커플러는 상술한 미합중국 특허 제4,931,076호의 기술에 의하여 제조될 수 있다. 제8도 및 제9도는 유리관(60)을 도시하였는데, 상기 유리관의 축방향의 보어(bore, 61)는 그의 말단부에서 테이퍼드 틈(tapered apertures, 62)을 가진다. 상기 보어의 단면적 형태는 원형, 다이아몬드 형태, 정방형 또는 이와 유사한 형태로 될 수 있다. 상기 관(60)의 연화점(softening point) 온도는 그 내부로 삽입되는 섬유의 것보다 낮아야 한다. 바람직한 관 조성물은 1∼25 중량%의 B2O3로 도프된 SiO2및 0.1중량%에서 약 2.5중량%의 F(fluorine)로 도프된 SiO2이다. SiO2, B2O3및 F의 연화점 온도를 낮추는 것에 더하여 굴절율을 감소시킨다.
각각 보호 코팅(65 및 66)을 가지고 있는 두개의 코팅된 섬유들(63 및 64)을 충분한 길이로 절단하는데 각 섬유의 유용한 길이는 관(60)의 말단부를 넘어서 확장한다. 각각의 섬유들(63 및 64)은 코어 및 클래딩을 포함하는데, 상기 코어들의 반경 및 굴절율로 인해 상기 섬유(64)의 MFD가 다른 섬유(63)의 것보다 크다. 상기 보어(61)의 길이보다 다소 짧은 거리에서 상기 각 섬유의 말단부 중간에 있는 코팅 부분을 제거한다. 상기 코팅되지 않은 부분을 상기 관의 말단부 중간에 배치시킬 때까지 보어를 통해 상기 섬유를 가는 실로 만든다. 상기 섬유는 약간의 장력에 쉽게 영향을 받아 고정된다. 상기 섬유의 하나의 면에 작은 양의 접착제(69)를 사용하여 개구(70)가 이동하여 보어(61)로 접근하는 동안에 섬유를 테이퍼드 틈(62)에 접착시킨다. 상기 관의 반대편 말단부에서 상기 섬유들과 테이퍼드 틈 사이에 소량의 접착제를 이와 유사하게 적용한다. 상기 섬유들이 평행하게, 꼬이지 않은 상태로 상기 관을 통해 확장하기 때문에, 상기 모세관(capillary tube) 내부의 섬유들은 내부 꼬임(internal twists)이 시각적으로 점검된다.
상기 관의 붕괴 및 신장 단계를 실행하는 장치는 제10도에 도시하였다. 상기 장치에서 커플러 예형을 안전하게 하는데 사용하는 척(chuck, 72 및 73)을 바람직하게는 컴퓨터에 의해 제어되는 모터 제어대 위에 올려놓는다. 링 버너(ring burner, 74)는 상기 모세관의 중간 영역을 편평하게 가열할 수 있다.
제8도의 커플러 예형(71)을 링 버너를 통해 삽입하여 인출 척에 고정시킨다. 상기 관(60)의 말단부에 고정된 진공 부착물(vacuum attachments)(75 및 76)을 통해 상기 섬유를 가는 실로 만든다. 제10도에서 단면도로 도시된 진공 부착물(76)은 관(60)의 말단부 및 진공선(vacuum line)(78)에 부착된 관(77)을 포함한다. 상기 관(77)의 말단부를 화살표(79)로 표시한 바와 같이 상기 섬유에 고정시킨다.
제8도의 커플러 예형(71)의 양쪽 말단부에 진공 상태(V)를 적용한다. 상기 커플러 예형을 통상 약 12∼25초 사이의 짧은 시간 동안 버너(74)로 가열하여, 상기 관의 중간 영역의 온도를 연화 온도로 증가시킨다. 상기 관에 서로 다른 보조 압력을 가함으로서, 상기 관이 상기 섬유 상에서 붕괴한다. 상기 유리 매트릭스 관이 상기 섬유를 둘러싸고 틈을 채워서 고체 상태로 제조하는데, 그로 인해 상기 결합 영역에서 에어라인(airlines)을 제거한다.
상기 관을 붕괴시키는 장치로부터 디바이스를 제거하지 않고 상기 관의 붕괴된 중간영역의 중앙부분을 신장시킬 수 있다. 상기 관을 냉각시킨 후에, 상기 불꽃에 다시 불을 붙여서 상기 붕괴된 영역의 중앙부를 재가열한다. 상기 신장 공정에서 목적하는 커플러 특성에 종속하는 불꽃 지속 시간은 보통 10∼20초 사이이다. 상기 신장 단계에서 더 짧은 가열 시간은 상기 붕괴 영역보다 더 짧은 신장 영역을 야기시킨다. 상기 붕괴된 영역을 재가열 한 후에, 상기 커플러 길이가 미리 정한 치수로 증가할 때까지 척(73 및 74)은 반대 방향으로 인장한다.
상기 모세관의 확장되는 양은 상기 신장 공정 동안에 광전력을 붕괴된 커플러 예형의 하나의 입력 섬유로 삽입하고 상기 출력 섬유에서 출력 전력을 감시함으로서 최초에 결정된 주어진 커플러의 형태를 달성한다. 그 후에 적당하게 배열된 장치를 사용하고 공정 파라미터(parameters)를 주의 깊게 조절한다면, 특별한 공정에 의해 제조된 모든 커플러는 유사한 광학 특성을 가질 것이다.
상기 커플러를 냉각한 후에, 상기 진공선을 커플러에서 제거하고 적어도 상기 세로축의 틈으로 부분적으로 흐르는 소량의 접착제를 각 모세관의 말단부에 사용한다. 이것은 밀폐된 봉인을 제조하고 또한 상기 디바이스의 인장력을 증가시킨다.
하기의 특정한 실시예는 섬유 증폭기 및 상기 증폭기에 사응하는 광섬유 커플러의 제조방법을 기재하였다.
미합중국 특허 제4,486,212호(본원 발명에서 인용된)에 기재된 공정 또는 이와 유사한 공정에 의해 상기 커플러 섬유 및 이득 섬유를 제조하였다. 요약하면, 상기 특허에 의해서 코어 영역 및 얇은 층의 클래딩 유리를 함유한 다공성 코어 예형을 원주형 맨드럴(mandrel) 상에서 제조하였다. 상기 맨드럴을 제거하고, 상기 결과적인 관모양의 예형을 실리카 함유량이 높은 유리에 대하여 1200∼1700℃ 사이의 최고 온도 및 바람직하게는 약 1490℃ 온도인 고화 머플로(consolidation furnace muffle)로 서서히 삽입한다. 상기 머플의 온도 프로파일(profile)은 본원 발명에서 인용된 미합중국 특허 제4,165,223호에 기재한 바와 같이 중앙 영역에서 최고로 높다. 건조시키기에 필요한 최소 농도로 존재하는 염소는 상기 예형 틈으로 헬륨 및 약 5부피%의 염소로 구성된 건조가스를 주입함으로서 상기 예형에 적용할 수 있다. 상기 틈의 말단부를 막아서 상기 가스를 상기 예형의 구멍을 통해 주입시킨다. 헬륨 플러싱(flushing) 가스를 상기 머플을 통해 동시에 주입한다.
상기 틈에 진공 상태를 적용하여 틈이 막혀버린 “코어 막대(core rod)”를 제조하는 동안에 상기 결과적인 관모양의 유리 제품을 표준 인출로에서 신장시킨다. 실리카 입자가 증착되는 선반에서 상기 막대의 적합한 길이를 지지한다. 99.5부피% 헬륨과 0.5부피% 염소의 혼합물을 그것을 통하여 위쪽으로 주입하는 동안에 상기 결과적인 최종 다공성 예형을 고화시키는 고화 머플로로 서서히 주입한다. 상기 결과적인 유리 예형을 인출하여 스텝-지수(step-index), 단일-모드(single-mode) 광섬유를 제조한다.
(a) 표준 전송 섬유(64)의 제조
8.5중량%의 GeO2로 도프된 SiO2로 구성된 유리 입자의 제1층을 맨드럴(mandrel) 상에 침적시키고, SiO2입자의 얇은 층을 상기 제1층상에 침적시켰다. 상기 맨드럴을 제거하고, 상기 결과적인 다공성 예형을 건조시키고 고화시키는 알루미나 머플을 가지는 펄에 서서히 삽입하였다. 상기 공정 동안, 65sccm(standard cubic centimeter per minute) 염소와 650sccm 헬륨을 함유하는 가스 혼합물을 상기 맨드럴을 제거한 중앙 구멍으로 주입하였다. 40lpm(liter per minute) 헬륨과 0.5lpm 산소를 함유한 플러싱 가스를 상기 머플의 바닥부로부터 위쪽으로 주입하였다. 상기 틈을 배기하고, 상기 관모양의 몸체의 하부 말단부를 1900℃로 가열하고 약 15cm/min의 속도로 인출하여 5mm의 고체 유리 막대를 제조한다. 상기 막대를 절단하여 단편들을 제조하고, SiO2클래딩 수트(soot)를 침적시켜 최종 다공성 예형을 제조하는 맨드럴로서의 역할을 하는 선반에서 각각의 단편들을 지지한다.
최종 다공성 예형을 고화시켜 인장 브랭크(blank)를 제조하는 1490℃의 최고온도를 가지는 알루미나 머플러로 서서히 삽입하였다. 상기 고화 공정 동안, 40lpm 헬륨과 0.5lpm 염소 및 0.5lpm 산소를 함유한 가스 혼합물을 상기 머플을 통해 주입하였다. 상기 인장 브랭크의 첨단부를 약 2100℃로 가열하고, 그로부터 125㎛의 외부 직경을 가지는 섬유를 인출하였는데, 상기 인출 공정 동안 상기 섬유를 170㎛직경의 우레탄 아크릴레이트 코팅으로 코팅 하였다.
(b) MFD가 작은 커플러 섬유(63)의 제조
하기에 서술한 다른 점을 제외하고는 상기 (a)에서 상술한 유사한 공정을 섬유(63)를 제조하는데 사용하였다. 18중량%의 GeO2로 도프된 SiO2로 구성된 유리입자의 제1층을 맨드럴 상에 침적시키고, SiO2입자의 얇은 층을 상기 제1층 상에 침적시켰다. 상기 결과적인 다공성 예형을 고화시키고 신장시키며 순수한 실리카 클래딩으로 재코팅시켰다. 상기 코어 직경 대 결과적인 인장 브랭크의 외부 직경의 비로서 상기 코어는 섬유(64)의 것보다 작았다.(표 1 참고) 상기 섬유를 125㎛의 외부 직경으로 인출하고 170㎛ 직경의 우레탄 아크릴레이트 코팅을 제공하였다.
(c) 이득 섬유의 제조
하기에 서술한 다른 점을 제외하고는 상기 (a)에서 상술한 유사한 공정을 이득 섬유를 제조하는데 사용하였다. 16.8중량%의 GeO2로 도프된 SiO2로 구성된 유리 입자의 제1층을 맨드럴 상에 침적시키고, SiO2입자의 얇은 층을 상기 제1층상에 침적시켰다. 상기 결과적인 다공성 코어 예형을 상기 맨드럴로부터 제거하고 에르븀염을 함유하는 용매에 함침시켰다. 상기 결과적인 다공성 예형을 건조, 고화, 신장시키며 순수한 실리카 클래딩으로 재코팅시켰다. 상기 코어 직경 대 결과적인 인장 브랭크의 외부 직경의 비는 상기 (b)에서 상술한 인장 브랭크의 것과 유사하였다(표 1 참고). 상기 섬유를 125㎛의 외부 직경으로 인출하고 250㎛ 직경의 우레탄 아크릴레이트 코팅을 제공하였다.
(d) 섬유 특성
하기 표 1은 △esi(equivalent step index delta), dc esi(equivalent step index core diameter) 및 상기 섬유들의 MFD를 기재하였다. 모드 영역 직경의 피터맨 II(Petermann II) 정의에 따라서 다양한 틈의 화-피일드(far-field)방법을 사용하여 모드 영역 파라미터를 결정하였다.
[표 1]
상기 다양한 섬유들 사이의 접속 손실은 하기 표 2에 기재하였다.
[표 2]
(e) 커플러의 제조
유리 모세관(60)은 3.8 cm의 길이와 2.8mm의 외부 직경을 가진다. 상기 보어를 다이아몬드 형태로 하는데, 상기 다이아몬드 각각의 측면은 약 310㎛의 길이를 가진다. 불꽃 가수분해 공정에 의해 상기 모세관을 제조하였는데; 그의 조성물은 약 2중량%의 B2O3과 약 2중량%의 F로 도프된 실리카로 구성되는 상기 보어와 유사하다. 상기 조성물들은 확산(diffusion) 및 침출(leaching) 때문에 방사상으로 변화한다. 상기 관의 말단부를 가열하는 동안에 상기 관을 통해 NF3을 흐르게 함으로서 각각 테이퍼드 틈(62)을 제조하였다.
각각의 보호 코팅(65 및 66)을 가지는 광섬유(63 및 64)를 약 2m의 길이로 절단하였다. 약 2.8cm길이의 코팅 단편들을 각 섬유의 중앙 영역에서 제거하였다. 상기 코팅되지 않은 부분을 상기 관의 말단부 접촉면에 배치시킬 때까지 상기 보어를 통해 상기 섬유를 가는 실로 만든다. 상기 섬유들은 약간의 장력에도 쉽게 영향을 받아서 고정시킨다. 상기 섬유의 하나의 면에 소량의 접착제를 사용하여 제8도 및 제9도에 도시한 바와 같이 테이퍼드 틈(62)의 하나의 면에 접착시킨다. 상기 관의 반대편 말단부에서 상기 섬유와 테이퍼드 틈 사이에 소량의 접착제를 사용하였다. 상기 모세관 내부에 섬유들을 시각적으로 점검하여 내부 꼬임이 없다는 것을 확인하였다.
커플러 예형(71)을 링 버너(74)를 통해 삽입시키고 제10도 장치의 인장 척(72 및 73)에 고정시킨다. 상기 관의 말단부에 대하여 진공 부착물(75 및 76)을 안전하게 하고 예형(71)에 대략적으로 46cm(18인치)의 Hg에서 안정된 진공을 적용하여 고정시켰다(화살표 79).
가스 및 산소를 각각 0.55slpm(standard liters per minute) 및 1.1slpm의 속도로 상기 링 버너로 주입시켰다. 상기 링 버너를 약 18초 동안 회전시켜 상기 관의 중간 영역의 온도를 그의 연화점 온도로 증가시킨다. 상기 결과적인 관을 약 0.5cm 길이의 관의 부분을 따라서 상기 섬유 상에서 붕괴시킨다. 상기 커플러 예형을 약 30초 동안 냉각시킨 후에, 상기 관 붕괴 공정에서와 같은 가스 및 산소 흐름으로 불꽃에 다시 불을 붙이고, 상기 붕괴된 영역을 약 17초 동안 재가열하였다. 상기 진공은 약 46cm의 Hg에서 잔존한다. 상기 척(72 및 73)을 약 2.0cm/sec의 속도에서 반대 방향으로 이동시켜서 약 1.62cm의 커플러 길이를 증가시킨다.
상기 커플러를 냉각한 후에, 상기 진공선을 상기 커플러로부터 제거하고, 소량의 접착제를 상기 각 모세관의 말단부에 사용하고 약 60초 동안 UV광에 노출시켰다. 그 후에 상기 커플러를 상기 인장물에서 제거한다.
상술한 공정에 의하여 낮은 접속 손실의 커플러를 제조하였다. 하나의 커플러는 980nm에서 0.34dB의 접속 손실(4.6%의 결합 비율 및 0.14dB의 초과 손실) 및 1540nm에서 0.12dB의 접속 손실(97.90%의 결합 비율 및 0.01dB의 초과 손실)을 가졌다. 상기 결합 곡선을 제11도에 도시하였다.

Claims (27)

  1. 광신호를 증폭하는 이득 섬유 수단; 제1 커플러 섬유의 하나의 말단부가 상기 이득 섬유 수단과 연결되고, 상기 제1 커플러 섬유의 모드 영역 직경이 상기 이득 섬유 수단의 모드 영역 직경과 일치하고(matched) 제2 커플러 섬유의 모드 영역 직경보다 작으며, 상기 커플러 섬유의 일부는 파장 종속 광 전송 관계(wavelength dependent light transfer relationship)에 있고 이로 인해 파장 λs의 대부분의 광전력(light power)은 상기 제1 및 제2 커플러 섬유 사이에서 결합되고, 상기 제1 커플러 섬유로 도입된 파장 λp의 대부분의 광전력은 상기 제1 커플러 섬유에 잔존하는 제1 및 제2 커플러 광섬유를 갖는 광섬유 커플러 수단; 상기 이득 섬유 수단으로 파장 λs의 광전력을 도입시키는 입력 신호수단 및; 상기 제1 커플러 섬유로 파장 λp의 펌핑 광전력을 도입시키는 펌프원 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 신호 수단은 상기 제2 커플러 섬유와 연결되어, 파장 λs에서 광신호를 전파하는 전송 괌섬유로 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입력 신호 수단은 그 말단부가 상기 이득 섬유 수단과 연결되는 전송 광섬유로 구성되고, 출력 전송 광섬유는 상기 제2 커플러 섬유와 연결되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 펌프원 수단은 상기 제1 커플러 섬유와 결합되는 파장 λp의 광원으로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 커플러 섬유는 상기 이득 섬유 수단과 융합 접속됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 커플러 섬유와 상기 이득 섬유 사이의 연결부는 상기 커플러 부분에 위치하는 융합 접속인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  7. 말단부로 공급된 광신호를 증폭하고, 코어 및 클래딩 영역을 포함하며, 그것을 통하여 전파되는 광이 제1 모드 영역 직경을 가지는 이득 섬유 수단; 제1 커플러 섬유의 모드 영역 직경은 상기 제1 모드 영역 직경과 일치하고 제2 커플러 섬유의 모드 영역 직경보다 작으며, 상기 커플러 수단 내의 커플러 섬유의 일부는 파장 종속 광 전송 관계에 있고 이로 인해 파장 λs의 대부분의 광전력은 상기 제1 및 제2 커플러 섬유 사이에서 결합되고, 상기 제1 커플러 섬유로 도입된 파장 λp의 대부분의 광전력은 상기 제1 커플러 섬유에 잔존하며, 상기 제1 커플러 섬유의 출력 말단부는 상기 이득 섬유 수단의 말단부와 연결되는 입력 및 출력 말단부를 가지는 제1 및 제2 커플러 광섬유를 갖는 광섬유 커플러 수단; 상기 제2 커플러 섬유의 입력 말단부와 연결되어 파장 λs에서 광신호를 전파하는 전송 광섬유 수단 및; 상기 제1 커플러 섬유로 파장 λp의 펌핑 광전력을 도입시키는 펌프원 수단으로 구성되는 것을 특정으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 커플러 섬유의 출력 말단부는 상기 이득 섬유 수단의 말단부와 융합 접속됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 입력 신호수단은 상기 제2 커플러 섬유의 입력 말단부와 융합 접속되는 전송 광섬유로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제2 커플러 섬유의 모드 영역 직경 대 상기 제1 커플러 섬유의 것과의 비가 적어도 1.5:1인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1 커플러 섬유는 상기 커플러에서 상기 이득 섬유와 접속됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  12. 광신호를 증폭하는 이득 섬유 수단; 제1 커플러 섬유의 하나의 말단부가 상기 이득 섬유 수단과 연결되고, 상기 제1 커플러 섬유의 모드 영역 직경이 상기 이득 섬유 수단의 모드 영역 직경과 일치하고 제2 커플러 섬유의 모드 영역 직경보다 작으며, 상기 커플러 섬유의 일부는 파장 종속 광 전송관계에 있고 이로 인해 파장 λs의 대부분의 광전력은 상기 제1 및 제2 커플러 섬유 사이에서 결합되고, 상기 제1 커플러 섬유로 도입된 파장 λp의 대부분의 광전력은 상기 제1 커플러 섬유에 잔존하는 제1 및 제2 커플러 광섬유를 갖는 광섬유 커플러 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 섬유의 하나의 말단부는 상기 이득 섬유 수단의 하나의 말단부와 융합 접속되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 커플러 섬유와 상기 이득 섬유 사이의 연결부는 상기 커플러 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 시스템.
  15. 두개의 대향된 말단면 및 하나의 중간 영역을 갖고 굴절률 n3을 가진 유리 매트릭스(matrix glass)의 신장된 몸체; 상기 신장된 몸체를 통해서 세로로 확장된 제1 및 제2 커플러 섬유로 구성되고, 상기 각각의 섬유는 n3보다는 크나 코어보다는 작은 굴절률의 클래딩(cladding)으로 둘러싸인 코어를 가지고 있으며, 상기 제1 섬유의 일부분의 모드 영역 직경은 상기 제2 섬유의 모드 영역 직경보다 작으며, 상기 섬유는 상기 유리 매트릭스의 중간영역을 따라 함께 용융되고, 상기 광섬유의 코어는 상기 말단면에서 보다 상기 중간영역의 중심 부위에 더 근접하게 위치해 있어서 파장 λs의 대부분의 광전력이 상기 제1 및 제2 커플러 섬유 사이에서 결합되는 파장 종속 결합 영역을 형성하고, 상기 제1 섬유로 도입된 파장 λp의 대부분의 광전력은 상기 제1 섬유에 잔존하는 제1 및 제2 광섬유로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 섬유는 그 전체 길이를 통해 단일한 모드 영역 직경을 가진 단일 섬유로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제1 커플러 섬유는 상기 유리 매트릭스의 중간영역 내에서 함께 용융되는 두개의 섬유 단편(segments)으로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  18. 제17항에 있어서 상기 섬유 단편의 하나는 레이징 물질(lasing material)로 도프된 코어를 가지는 이득 섬유로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  19. 제17항에 있어서, 상기 두개의 섬유 단편들의 모드 영역 직경이 일치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  20. 제17항에 있어서, 상기 두개의 섬유 단편들의 모드 영역 직경이 서로 다른 것을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  21. 제17항에 있어서, 상기 제2 커플러 섬유의 모드 영역 직경과 상기 제1 커플러 섬유의 것과의 비가 적어도 1.5:1인 것을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  22. 각각 코어 및 클래딩을 가진 제1 및 제2 괌섬유로 구성되고, 상기 섬유는 그 길이의 부분을 따라 함께 용융되어 상기 섬유들 사이에 광전력이 결합되는 결합 영역을 형성하고, 상기 결합은 파장에 종속하여 파장 λs의 대부분의 광전력이 상기 제1 및 제2 커플러 섬유 사이에 결합되고, 상기 제1 섬유로 도입된 파장 λp의 대부분의 괌전력은 상기 첫 번째 섬유에 잔존하며, 적어도 상기 제1 섬유의 일부분의 모드 영역 직경은 상기 제2 섬유의 것보다 작은 것을 특징으로 하는 괌섬유 커플러.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제2 커플러 섬유의 모드 영역 직경과 상기 제1 커플러 섬유의 것과의 비가 적어도 1.5:1인 것을 특징으로 하는 괌섬유 커플러.
  24. 제22항에 있어서, 상기 제1 커플러 섬유는 상기 결합 영역 내에서 함께 용융되는 두개의 섬유 단편으로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  25. 제24항에 있어서, 상기 섬유 단편의 하나는 레이징 물질로 도프된 코어를 가지는 이득 섬유로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  26. 제24항에 있어서, 상기 두개의 섬유 단편들의 모드 영역 직경이 서로 다른 것을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
  27. 제24항에 있어서, 상기 두개의 섬유 단편들의 모드 영역 직경이 일치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 커플러.
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