KR100321855B1 - 광대역파장대에서도파로특성의분산광섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리카 광섬유의 코어와 클래딩에 굴절율의 색분산곡선이 서로 교차하는 불소와 붕소의 두가지 물질을 첨가하여 도파로의 정규주파수가 파장에 관계없이 일정하게 유지되는 분산 광섬유에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유제조에 쓰이는 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 사용하여 실리카 광섬유의 코어에 불소(Fluorine)를 첨가하고 실리카 클래딩에 붕소(Boron) 산화물을 첨가하여 파장이 증가함에 따라 코어와 클래딩의 굴절율차가 증가하도록 설계한 광섬유에 관한 것이다. 이와 같은 실리카계 유리 조성을 사용하여 광통신에 주로 쓰이는 파장대역인 1.1㎛∼2.0㎛에서 광섬유의 정규주파수가 파장이 변화하더라도 2.405 이하의 어느 일정한 값으로 유지되는 광섬유를 제작할 수 있다. 본 발명의 분산광섬유는 파장에 따라 코어와 클래딩의 굴절률차가 변화하고 광대역 파장에서 정규주파수가 일정하게 유지되므로 광대역 커플러, WDM 멀티플렉서(Multiplexer)나 디멀티플렉서(Demultiplexer) 등에 응용할 수도 있다.

Description

광대역 파장대에서 도파로 특성의 분산광섬유
본 발명은 실리카를 주재료로 한 광섬유의 코어와 클래딩에 굴절율 분산특성이 다른 두 물질 산화붕소(B2O3)와 불소(F)를 첨가하여 그 굴절율 차가 파장에 따라 증가하는 분산광섬유에 관한 것이다.
이와 같이 굴절율차가 파장에 따라 증가하면 정규주파수가 파장에 무관하게 일정한 특성을 보이도록 단일모드 광섬유를 제작할 수 있다. 이와 같은 광섬유는광섬유 커플러 소자의 재료로 사용되어 파장에 무관한 광대역 광파워 스플리터(wavelength independent broadband optical power splitter), 광대역 파장분할다중기 (broadband wavelength division multiplexer)등을 제조할 수 있다.
종래의 분산광섬유는 파장에 따른 분산특성이 서로 다른 두 개의 저용융점 복합조성 유리를 사용하여 로드인튜브(rod-in-tube)법을 이용하여 분산광섬유를 제작하므로 코어와 클래딩의 다른 분산 기울기로 인한 파장 교차점을 모재 제작 후 열처리에 의해 제어한다.
이와 관련된 종래 기술을 보면, 카수미 모리시타(Katsumi Morishita, J. Lightwave Tech., Vol. 7, No. 1, pp 198-201, 1989; J. Lightwave Tech., Vol. 7, No. 5, pp 816-819, 1989; Optics Letters, Vol. 13, No. 2, pp 158-160)가 저용융점 복합조성 유리재료를 이용하여 광섬유를 제작하고 이를 이용한 여러 가지 광응용소자들을 개발한 바 있다. 그의 연구에서는 코어과 클래딩의 굴절율 차가 광 파장에 따라 감소하거나 증가하도록 재료를 선정하여 장파장투과 필터(long wavelngth pass filter)와 단파장 투과 필터(short wavelngth pass filter)를 제작한 바 있다. 아래의 표 1에 카수미 모리시타에 의해 연구된 유리물질들과 필터 형태를 정리하였다. 이들 물질의 굴절률은 파장에 따른 분산특성에 의해 코어와 클래딩의 굴절률이 어느 특정 파장, 교차파장에서 같아지게 된다. 장파장투과필터의 특성을 갖는 광섬유의 경우 교차파장보다 긴 파장으로 갈수록 굴절률차가 증가하고 단파장투과필터의 경우 교차파장보다 짧은 파장으로 갈수록 굴절률차가 증가한다고 하였다. 그 중에서 교차파장보다 긴 파장으로 갈수록 굴절률 차가 증가하는 경우가본 발명과 부분적으로 관계가 있다. 그 밖에 쥰지 니시무라(Junji Nishimura and Katsumi Morishita, J. Lightwave Tech., Vol. 15, No. 2, pp 294-298, 1997)등이 코어와 클래딩의 굴절률 교차파장을 제어하기 위하여 모재 제작후 별도의 열처리가 필요하다는 것을 발표한 바 있다.
표 1. 코어와 클레딩에 사용한 재료에 따른 교차파장의 비교
Core Material Cladding Material Cross Wavelength Filter Type
BaCED4 F11 0.72㎛ Long
BaCD1 ADF10 0.9㎛ Long
ADF10 BaF7 1.62㎛ Short
LaF8 FD13 0.82㎛, 1.65㎛ Band Pass
LaKN18 SF10 0.6㎛ Long
SK6 TiF6 0.67㎛ Long
TiF6 SK1 0.87㎛ Short
기존의 저용융점 복합조성 유리재료를 이용한 분산광섬유의 경우 광통신용 실리카 광섬유와의 접속에 심각한 문제를 갖고 있다. 즉 용융점이 실리카에 비해 매우 낮아서 융착 접속은 불가능하고 굴절율 자체가 실리카보다 매우 높아서 기계식 접속시 손실도 매우 크다. 또한 저용융점 복합조성 유리재료를 이용한 분산광섬유의 제조 방법은 로드 인 튜브(rod-in-tube) 방법으로 코어와 클래딩의 경계가 불완전하여 광섬유 자체의 손실 또한 크다. 이와 같은 여러 단점으로 실제 광통신에서 저용융점 복합조성 유리재료를 이용한 분산광섬유와 관련 광섬유 소자는 사용되고 있지 못하다.
본 발명은 유리재료 대신에 실리카를 이용하여 광섬유의 클래딩 제작시에는 실리카에 붕소(boron)를 첨가하고 코어 제작시에는 실리카에 불소(fluorine)를 첨가하여 분산광섬유의 특성인 파장 교차점을 첨가물의 농도 변화에 의해 제어하여광통신용 광섬유와 접속 손실을 최소화할 수 있는 통신소자를 제공하는데 있다.
도 1은 본 광섬유의 구조로 코어, 내부클래딩, 외부클래딩의 성분을 표시한
것이다.
도 2는 파장에 따른 코어와 클래딩의 굴절률 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 광섬유 모재의 반경에 따른 굴절률차를 나타낸 것이다.
도 4는 파장에 따른 정규주파수의 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 붕소 농도 증가에 따른 파장 교차점의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 불소 농도 증가에 따른 파장 교차점의 변화를 나타낸 것이다.
본 발명은 실리카 광섬유의 코어와 클래딩에 굴절율의 색분산곡선이 서로 교차하는 불소와 붕소의 두가지 물질을 첨가하여 도파로의 정규주파수가 파장에 관계없이 일정하게 유지되는 분산 광섬유에 관한 것이다.
광섬유의 재료로 사용되는 실리카계 유리의 굴절률은 파장의 함수로서 파장에 따른 굴절률의 변화인 분산(dispersion)은 아래 식과 같은 셀미에르(Sellmeier) 방정식을 이용하여 구할 수 있다.
n2-A=kλ2λ2λk2
A 는 Sellmeier 계수, λk 는 공진파장, Gk 는 공진 강도를 나타낸다.
광섬유에 있어서, 굴절율이 높은 물질을 코어에 첨가하고 굴절율이 낮은 물질을 클래딩에 첨가한다. 이 경우 전반사에 의해 빛이 광섬유의 코어를 따라 전파하게 된다. 광섬유의 도파특성을 나타내는 파라미터로서 정규주파수(normalized frequency; V )가 있으며 다음과 같이 정의된다.
V=πλacore2clad2
λ 는 파장, a 는 광섬유 코어의 반경, ncore 는 코어의 굴절률, nclad 는 클래딩의 굴절률이다.
정규주파수는 일정한 파장을 갖는 빛에 대해 광섬유가 갖는 도파 성질을 정의하는데 사용되는 기준 수치이다. 정규주파수 V 는 광섬유의 구조와 광 파장에따라 변화하는 함수임을 알 수 있다. 특히 파장과 관련된 부분은 위 식의 파장의 역수에 비례하는 항 (1/λ )과 굴절율과 관련된 항 (core2clad2 ) 이다.
일반적인 광섬유의 코어는 GeO2가 첨가된 SiO2, 클래딩은 SiO2로 이루어져 있다. 이 경우 파장과 관련된 위의 두 항 모두 파장이 증가함에 따라 감소한다. 따라서 일반적인 광섬유의 경우 파장이 증가함에 따라 정규 주파수가 감소한다. 스텝인덱스 광섬유에서 특정한 파장에서 정규주파수 V 가 2.405보다 적은 경우 그 광섬유에 존재하는 모드는 하나로서 단일모드 조건이 된다. 그리고 V 가 2.405가 되는 파장을 차단파장이라 하며 차단파장이상의 파장에 대해 V 는 위 식에 따라 감소하게 된다. 즉 일반 단일모드 광섬유는 각 파장마다 다른 정규주파수를 보이며 동일한 도파로 구조라도 파장별로 도파 특성이 달라진다.
본 발명에서는 굴절율의 파장에 따른 변화가 다른 두 물질 즉 산화붕소(B2O3)가 첨가된 산화규소(SiO2), 불소(F)가 첨가된 SiO2를 각각 내부 클래딩과 코어로 사용하여 정규주파수 V 가 파장에 무관한 광섬유를 제공한다. 도 1에서 제안된 광섬유의 구조를 나타내고, 도 2에서 파장별 굴절률 분포도를 B2O3가 첨가된 SiO2, F이 첨가된 SiO2에 대해 각각 나타내었다. 이 경우 두 굴절율 분포선이 교차함을 알 수 있고 B2O3가 첨가된 SiO2, F가 첨가된 SiO2를 각각 내부클래딩과 코어로 할 경우 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 커지는 0.8㎛ 이상의 장파장대에서 정규주파수가 정의된다. 이 때 일반적 광섬유와 달리 파장이 증가함에 따라정규함수 V 에서 굴절율과 관련된 항 (core2clad2 ) 이 증가함을 알 수 있다. 이 현상을 이용하면 정규함수에서 굴절율과 관련된 항 (core2clad2 ) 이 파장의 역수에 비례해서 감소하는 항 (1/λ )을 상쇄시켜서 파장에 무관하게 일정한 정규주파수를 얻을 수 있다.
본 발명은 일반적인 실리카 광섬유제조 방법인 화학기상증착법을 이용하여 클래딩 제작시에는 실리카에 산화붕소(B2O3)를 첨가하고 코어 제작시에는 실리카에 불소(F)를 첨가하여 광섬유 모재를 제조하였다. 그 구조는 도 1에 나타난 바와 같다.
불소 코어와 산화붕소 클래딩의 파장에 따른 굴절률의 변화를 셀미에르(Sellmeier) 방정식을 이용하여 도 2에 나타낸 바에 의하면 붕소의 굴절률 변화가 불소의 굴절률 변화보다 더 큰 것을 알 수 있다. 따라서 클래딩의 굴절률과 코어의 굴절률의 기울기가 다르기 때문에 코어의 굴절률과 클래딩의 굴절률이 같아지는 교차파장을 갖게 된다. 도 2에 의하면 코어 굴절률과 클래딩 굴절률이 같아지는 교차파장은 0.8㎛로서, 즉 0.8㎛ 이하의 파장에서는 클래딩의 굴절률이 코어의 굴절률보다 크기 때문에 광섬유를 통해서 빛이 도파되지 않는다. 반면에 0.8㎛ 이상의 장파장 대에서는 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 크기 때문에 광섬유를 통해 빛이 도파될 수 있다. 그리고 교차파장으로부터 파장이 증가할수록 코어와 클래딩의 굴절율 차가 증가함을 알 수 있다.
이와 같은 코어와 클래딩의 굴절율차에 대해 정규주파수를 구한 결과 각 파장에서의 정규주파수를 도 4에 나타내었다. 스텝인덱스 광섬유의 단일모드 조건은V2.405 이므로 도 4에서 나타낸 파장범위 내에서 단일모드 조건을 만족함을 알 수 있다. 특히 파장 1.1㎛∼2.0㎛ 영역에 걸쳐, V 값이 2.405보다 작은 일정한 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이 파장대역은 현재 광통신에서 사용하고 있고 또한 앞으로 사용될 가능성이 많은 구간으로 이 구간 전역에서 균일한 도파로 특성을 갖는 광섬유를 제작하는 것은 광소자개발에 필수적이다.
본 발명에 의해 제조된 광섬유는 1.1㎛∼2.0㎛ 파장구간 내에서 단일모드 조건을 만족하면서, 균일한 정규주파수를 갖으며 이 구간내 임의의 파장에 대하여 동일한 도파 특성을 갖게 된다. 이와 같은 특성을 이용하여 서로 다른 파장들을 동시에 사용하는 WDM 커플러 등에 응용할 수 있다. WDM 커플러에 사용되는 모든 파장들은 똑같은 단일모드 조건을 가지고, 동일한 도파 특성을 가지게 된다. 따라서 더 효율적인 WDM 시스템을 구성할 수 있게 된다.
본 발명에서 개발한 분산광섬유는 기존의 저용융점 복합재료 유리 광섬유에서 사용되는 rod-in-tube 방법 대신에 통신용 광섬유제조공정에 사용되는 화학기상증착 CVD(Modified Chemical Vapor Deposition) 공정을 사용하였다.
이하 본 발명을 다음의 실시예 및 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것으로 제공되는 것일 뿐 이들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1-4 >
클래딩에 첨가되는 붕소의 농도변화에 따른 파장교차점의 변화를 알아보기위하여 산화물의 조성을 F : 2.2374 mole%, B2O3: 6∼9 mole%의 염화물증기를 1,600∼1,650℃의 온도에서 8시간동안 화학증기증착법(Chemical vapor deposition)에 의하여 산소와 반응시켜 분산광섬유 제조할 수 있으며 아래의 표 2에 각 실시예에 따른 산화물의 조성비와 파장교차점을 나타내었다.
표 2. 붕소산화물 농도에 따른 파장 교차점의 변화
산화물실시예 코어F(mole %) 클래딩B2O3(mole %) 파장교차점&lambda;c (㎛)
실시예 1 2.2374 6.1723 1.2062
실시예 2 2.2374 6.7929 0.9718
실시예 3 2.2374 7.4579 0.8161
실시예 4 2.2374 8.1784 0.7107
< 실시예 5-8 >
코어에 첨가되는 불소의 농도변화에 따른 파장교차점의 변화를 알아보기 위하여 산화물의 조성을 F : 2∼3 mole%, B2O3: 7.4579 mole%의 염화물증기를 1,600∼1,650℃의 온도에서 8시간동안 화학증기증착법(Chemical vapor deposition)에 의하여 산소와 반응시켜 분산광섬유를 제조할 수 있으며 아래의 표 3에 각 실시예에 따른 산화물의 조성비와 파장교차점을 나타내었다.
표 3. 불소산화물 농도에 따른 파장교차점의 변화
산화물실시예 코어F(mole %) 클래딩B2O3(mole %) 파장교차점&lambda;c (㎛)
실시예 5 2.1042 7.4579 0.7113
실시예 6 2.2374 7.4579 0.8161
실시예 7 2.3707 7.4579 0.9577
실시예 8 2.5039 7.4579 1.1340
< 시험예 >
상기의 실시예에 따라 제작된 본 발명의 분산광섬유에 중에서 F : 2.2374mole%, B2O3: 7.4579 mole%의 조성비로 제작된 분산광섬유의 굴절률 분포를 도 2와 도 3에 나타내었다. 표 2에서 알 수 있듯이, 붕소농도의 증가에 따른 파장교차점의 변화는 단파장 쪽으로 이동하게 됨을 도 5에 나타내었다. 상대적으로 불소의 농도 증가에 따른 파장교차점의 장파장 쪽으로의 변화는 도 6에 나타내었다.
본 발명에서 개발한 분산광섬유는 기존의 분산광섬유에 비하여 제작이 용이하고, 광섬유 모재 제작 후 열처리에 의한 파장 교차점을 제어하는 대신에 첨가물 농도를 변경하여 파장 교차점을 용이하게 변화시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 코어 및 클래딩에 실리카가 포함된 공지의 광섬유에 있어서, 광섬유의 코어에 불소를 첨가하고, 광섬유의 클래딩에 붕소를 첨가한 것을 특징으로 하는 광대역 파장대에서 도파로 특성의 분산광섬유.
  2. 제 1항에 있어서, 광대역 파장대는 1.1㎛∼2.0㎛인 것을 특징으로 하는 광대역 파장대에서 도파로 특성의 분산광섬유.
  3. 특허청구범위 1항 또는 2항중 선택된 어느 한항의 분산광섬유는 1.1㎛∼2.0㎛ 파장대에서 정규주파수가 일정한 분산광섬유인 것을 특징으로 하는 광대역 파장대에서 도파로 특성의 분산광섬유
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