KR100403736B1 - 광대역 분산 제어 광섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 광신호의 전송 경로를 형성하며 최대 굴절률 N1을 갖는 코어와, 상기 코어를 둘러싸며 N1보다 낮은 최대 굴절률 N2를 갖는 클래드를 구비하는 광섬유는, 각각 상기 코어와 클래드 사이에 개재되며, N1및 N2보다 낮은 굴절률에서부터 시작하여 외주로 갈수록 증가하는 굴절률 분포를 갖는 적어도 하나 이상의 분산 제어층을 포함한다.

Description

광대역 분산 제어 광섬유{WIDE BAND DISPERSION-CONTROLLED FIBER}
본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 광대역 분산 제어 광섬유에 관한 것이다.
광섬유를 구성하는 코어(optical fiber)와 클래드(clad) 사이에 굴절률이 저하된 영역(depressed region)을 배치하면, 광섬유의 분산 특성을 효과적으로 조절할 수 있다. 이는, 벤카타 에이. 바가바툴라(Venkata A. Bhagavatula)에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 4,715,679(LOW DISPERSION, LOW-LOSS SINGLE-MODE OPTICAL WAVEGUIDE)에 개시되어 있다.
도 1은 종래에 따른 단일 모드 광섬유의 분산 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에는, 상기 단일 모드 광섬유(Single Mode optical Fiber, SMF)의 분산 곡선(110)이 도시되어 있다. 상기 단일 모드 광섬유는 굴절률 저하 영역이 없는 계단형의 굴절률 분포(refractive index profile)를 갖는다. 상기 단일 모드 광섬유의 분산 곡선(110)을 보면, 1550 ㎚의 파장에서 약 17㎰/㎚/㎞의 단위 분산값을 가짐을 알 수 있다. 상기 단일 모드 광섬유를 장거리 전송용으로 사용하는 경우에, 상기 단일 모드 광섬유를 통해 수신한 광신호의 누적 분산값이 증가되어 신호 왜곡(signal distortion)이 심화된다. 이러한 장거리 광신호 전송 시 발생하는 누적 분산값을 최소화시키 위해서 여러 가지 분산 보상 기술을 적용하는데, 통상적으로 분산 보상 광섬유를 이용하는 방법이 널리 이용되고 있다.
상기 분산 제어 광섬유는 코어 주위에 굴절률 저하 영역을 배치함으로써 큰 음의 분산값을 갖게 되며, 상기 단일 모드 광섬유의 누적 분산값을 보상하기 위해 상기 단일 모드 광섬유의 일단에 연결될 수 있다. 상기 분산 제어 광섬유의 분산값은 1550 ㎚의 파장에서 큰 음의 단위 분산값을 가지며, 상기 단일 모드 광섬유의 누적 분산값을 상쇄하여 총분산값이 영이 되도록 상기 분산 제어 광섬유의 길이를 조절할 수 있다.
그러나, 상기 분산 제어 광섬유를 분산 보상에 적용하면 1550 ㎚ 이외의 파장에서는 상기 분산 제어 광섬유의 누적 분산값과 상기 단일 모드 광섬유의 누적 분산값의 합이 영이 되지 않기 때문에, 파장분할 다중화 시스템(wavelength division multiplexing system)에 적용하는데 있어서 적합하지 못하다는 문제점이 발생한다.
상기 분산 보상 광섬유의 문제점을 해결하기 위해서, 최근에 분산과 분산 기울기(dispersion slope)를 동시에 보상하는 광섬유가 연구되고 있다. 분산과 분산 기울기를 동시에 보상하기 위해서는, 상기 단일모드 광섬유의 분산값과 분산 기울기 값을 각각 DSMF와 DSSMF, 분산 제어 광섬유의 분산값과 분산 기울기 값을 각각 DDCF와 DSDCF라 할 때, 분산 제어 광섬유가 하기 <수학식 1>을 만족하는 분산 값과 분산 기울기 값을 갖도록 한다.
상기 분산 보상 광섬유의 분산 및 분산 기울기값이 상기 <수학식 1>을 만족하면 1550 nm 이외 파장에 대해서도 상기 단일 모드 광섬유의 누적 분산 값을 보상할 수 있다. 하지만 전 파장 영역에서 상기 <수학식 1>을 완벽하게 만족하는 광섬유를 구현하는 것은 극히 어려우므로, 현재 C-밴드(1530nm~1570nm) 파장 영역의 분산 및 분산 기울기를 보상하는 정도에 그치고 있다. 광대역(wide band)의 파장분할 다중화 시스템을 위해서는 C-밴드 뿐 아니라, S-밴드(1450nm~1530nm) 및 L-밴드(1570nm~1610nm)를 포함하는 파장 영역에 대해 분산 및 분산 기울기 보상이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 광대역의 파장분할 다중화 시스템에 적용 가능한 광대역 분산 제어 광섬유를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 광신호의 전송 경로를 형성하며 최대 굴절률 N1을 갖는 코어와, 상기 코어를 둘러싸며 N1보다 낮은 최대 굴절률 N2를 갖는 클래드를 구비하는 광섬유는,
각각 상기 코어와 클래드 사이에 개재되며, N1및 N2보다 낮은 굴절률에서부터 시작하여 외주로 갈수록 증가하는 굴절률 분포를 갖는 적어도 하나 이상의 분산제어층을 포함한다.
도 1은 종래에 따른 단일 모드 광섬유의 분산 특성을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 광대역 분산 제어 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 광대역 분산 제어 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 광대역 분산 제어 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타낸 도면,
도 5은 도 2에 도시된 광대역 분산 제어 광섬유의 기능을 설명하기 위한 도면,
도 6은 도 2에 도시된 광대역 분산 제어 광섬유의 분산 특성을 설명하기 위한 도면,
도 7은 도 2에 도시된 광대역 분산 보상용 광섬유를 이용하여 단일 모드 광섬유의 분산을 보상한 예를 나타낸 도면,
도 8은 도 2에 도시된 광대역 분산 제어 광섬유의 모재 생성 방법을 설명하기 위한 도면.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 광대역 분산 제어 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타낸 도면이다. 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200)는 코어(210)와, 분산 제어층(220)과, 클래드(230)로 구성된다.
상기 코어(210)는 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200)의 중심에 위치하며, 반경 A1과 굴절률 N1을 갖는다. 상기 코어(210)는 봉 형상을 가지며, 상기 코어(210)의 굴절률 분포는 일정한 값, N1으로 설정되어 있다. 상기 코어(210)의 굴절률 분포를 나타내는 일반식은 하기 <수학식 2>과 같다.
상기 <수학식 2>에서, R(≤A)은 지름 방향에 따른 거리, A(≤A1)는 상기 코어(210) 내 임의의 지점까지의 지름 방향에 따른 거리, N(R)은 R에 따른 굴절률, N1은 코어(210) 내의 최대 굴절률, Δ1은 제1 굴절률 차, α1(0 < α1≤ ∞)는 굴절률 분포의 형태를 결정하는 제1 형상 지수를 나타낸다. 또한, 상기 제1 굴절률 차는 하기 <수학식 3>으로 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 3>에서, N2는 클래드(220) 내의 최대 굴절률을 나타낸다. 필요에 따라 상기 <수학식 3>에 나타난 N2값은 코어(210) 내의 최대 굴절률 N1보다 작고 분산 제어층(220)의 최소 굴절률 N4보다 큰 임의의 값으로 대체될 수 있다.
상기 분산 제어층(220)은 상기 코어(210)와 클래드(230) 사이에 위치하며, 내주 반경 A1, 외주 반경 A3, 최대 굴절률 N3및 최소 굴절률 N4를 갖는다. 상기 분산 제어층(220)은 튜브(tube) 형상을 가지며, 상기 분산 제어층(220)의 굴절률은 내주에서 외주로 갈수록 선형적으로 증가한다. 상기 분산 제어층(220)의 굴절률 분포는 하기 <수학식 4>로 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 4>에서, A(A1≤A ≤A2)는 상기 분산 제어층(220) 내 임의의 지점까지의 지름 방향에 따른 거리, R(A1≤R ≤A)은 지름 방향에 따른 거리, N4는 상기 분산 제어층(220) 내의 최소 굴절률, Δ2은 제2 굴절률 차, α2(0 < α2≤ ∞)은 굴절률 분포의 형태를 결정하는 제2 형상 지수를 나타낸다. 또한, 상기 제2 굴절률 차는 하기 <수학식 5>로 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 5>에서, N3는 상기 분산 제어층(220) 내의 최대 굴절률을 나타낸다.
상기 클래드(230)는 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200)의 최외곽에 위치하며, 반경 A3과 굴절률 N2을 갖는다.
본 발명에 따른 분산 제어층은 필요에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이러한 다양성을 하기하는 제2 및 제3 실시예를 들어 기술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 광대역 분산 제어 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타낸 도면이다. 상기 광대역 분산 제어 광섬유(300)는 코어(310)와, 분산 제어층(320)과, 클래드(330)로 구성된다.
상기 코어(310)는 상기 광대역 분산 제어 광섬유(300)의 중심에 위치하며, 반경 A1과 굴절률 N1을 갖는다. 상기 코어(310)는 봉 형상을 가지며, 상기코어(210)의 굴절률 분포는 일정한 값, N1으로 설정되어 있다.
상기 분산 제어층(320)은 상기 코어(310)와 클래드(330) 사이에 위치하며, 내주 반경 A1, 외주 반경 A3, 최대 굴절률 N3및 최소 굴절률 N4를 갖는다. 상기 분산 제어층(220)은 튜브(tube) 형상을 가지며, 상기 분산 제어층(220)의 굴절률은 내주에서 외주로 갈수록 곡선적으로 증가한다.
상기 클래드(330)는 상기 광대역 분산 제어 광섬유(300)의 최외곽에 위치하며, 반경 A3과 굴절률 N2을 갖는다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 광대역 분산 제어 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타낸 도면이다. 상기 광대역 분산 제어 광섬유(400)는 코어(410)와, 분산 제어층(420)과, 클래드(430)로 구성된다.
상기 코어(410)는 상기 광대역 분산 제어 광섬유(400)의 중심에 위치하며, 반경 A1과 굴절률 N1을 갖는다. 상기 코어(410)는 봉 형상을 가지며, 상기 코어(410)의 굴절률 분포는 일정한 값, N1으로 설정되어 있다.
상기 분산 제어층(420)은 상기 코어(410)와 클래드(430) 사이에 위치하며, 내주 반경 A1, 외주 반경 A3, 최대 굴절률 N3및 최소 굴절률 N4를 갖는다. 상기 분산 제어층(420)은 튜브(tube) 형상을 가지며, 상기 분산 제어층(420)의 굴절률은 내주에서 외주로 갈수록 단계적으로 증가한다.
상기 클래드(430)는 상기 광대역 분산 제어 광섬유(400)의 최외곽에 위치하며, 반경 A3과 굴절률 N2을 갖는다.
도 5는 도 2에 도시된 광대역 분산 제어 광섬유(200)의 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에는, 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200) 내를 진행하는 단파장의 광신호와 장파장의 광신호에 대한 세기 곡선들(510 및 520)을 도시하고 있다. 즉, 상기 각 세기 곡선(510 또는 520)은 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200)의 임의의 단면상에서 나타낸 해당 광신호의 세기 분포를 나타낸다.
상기 단파장의 광신호에 대한 세기 곡선(510)을 보면, 그 최대 세기점은 코어(210)의 중심과 거의 일치하며, 그 세기 분포는 상기 코어(210) 위치에 집중되어 있음을 알 수 있다. 다시 말해서, 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200) 내로 단파장의 광신호가 진행할 때, 상기 광신호에서 상기 분산 제어층(220)으로 침투되는 부분은 상대적으로 작으며, 상기 광신호의 대부분은 상기 코어(210) 내에서만 진행한다는 것이다. 따라서, 분산에 관련하여 상기 단파장의 광신호에 대해 상기 분산 제어층(220)이 미치는 영향은 상대적으로 작다.
상기 장파장의 광신호에 대한 세기 곡선(520)을 보면, 그 최대 세기점은 상기 코어(210)의 중심과 거의 일치하고 있으나, 그 세기 분포는 상기 코어(210) 및 분산 제어층(220)의 위치에 분산되어 있음을 알 수 있다. 다시 말해서, 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200) 내로 장파장의 광신호가 진행할 때, 상기 광신호에서 상기 분산 제어층(220)으로 침투되는 부분이 상대적으로 많다는 것이며, 상기 광신호에서 상당한 부분이 상기 코어(210) 및 분산 제어층(220)에 걸쳐서 진행하고 있다는 것이다. 따라서, 분산에 관련하여 상기 장파장의 광신호에 대해 상기 분산 제어층(220)이 미치는 영향은 상대적으로 크다.
또한, 장파장의 광신호에 대한 분산 특성 제어가 가능하게 됨으로써, 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200)의 파장별 분산 곡선을 광대역에 걸쳐서 제어할 수 있다. 이러한 제어 과정을 단계별로 살펴보면 하기하는 바와 같다.
첫 째, 상기 클래드(230)의 굴절률 분포를 상수로 설정한 상태에서 상기 코어(210)와 분산 제어층(220)의 굴절률 분포를 조절함으로써 단파장 대역의 파장별 분산 곡선을 설정한다.
둘 째, 분산 제어층(220)의 굴절률 분포의 기울기를 조절함으로써 장파장 대역의 파장별 분산 곡선을 설정한다.
도 6은 도 2에 도시된 광대역 분산 제어 광섬유(200)의 분산 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에는, 최대 굴절률 N3및 최소 굴절률 N4의 차이가 0인 경우의 제1 분산 곡선(610), 그 차이가 0.0005인 경우의 제2 분산 곡선(620), 그 차이가 0.001인 경우의 제3 분산 곡선(630) 및 그 차이가 0.0015인 경우의 제4 분산 곡선(640)이 도시되어 있다.
상기 제1 내지 제4 분산 곡선(610, 620, 630 및 640)은 단파장 대역, 즉 1300㎚~1500㎚의 파장 대역에서는 서로 구분이 힘들 정도로 유사하지만, 장파장 대역, 즉 1500㎚ 이후의 파장 대역에서는 서로 확연한 차이를 보임을 알 수 있다.
도 7은 도 2에 도시된 광대역 분산 제어 광섬유(200)를 구성하는 코어(210)와 분산 제어층(220)의 굴절률을 조절하여 단일 모드 광섬유의 분산 및 분산 기울기를 보상하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에는 단일 모드 광섬유의 분산 곡선(710)과, 상기 분산 제어층(220)의 기울기를 조절한 광대역 분산 보상 광섬유(200)의 분산 곡선(720)과, 상기 단일 모드 광섬유와 상기 광대역 분산 보상 광섬유(200)의 길이를 1:1의 비로 연결하였을 때의 총 분산 곡선(730)이 도시되어 있다. 총 분산 곡선(730)에서 보듯이 상기 광대역 분산 보상 광섬유(200)를 이용하면 C-밴드의 분산 보상 뿐만 아니라, S-밴드 및 L-밴드를 포함하는 영역까지 분산을 보상 할 수 있다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이 상기 분산 제어층(220)의 기울기를 조절한 분산 보상 광섬유(200)는 S-밴드, C-밴드 및 L-밴드를 포함하는 광대역에 걸쳐 상기 단일모드 광섬유의 분산을 보상할 수 있는 분산 및 분산 기울기가 조절된 음의 분산 값을 나타낼 수 있다.
도 8은 도 2에 도시된 광대역 분산 제어 광섬유(200)의 모재 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다. 광섬유 모재의 제조 방법으로는 MCVD 방법, VAD(Vapour phase Axial Deposition) 방법, OVD(Outside vapour phase Deposition) 방법 등이 있으나, 이들 방법들 중에서 수정된 화학기상 증착법을 이용하여 상기 광대역 분산 제어 광섬유(200)의 모재를 생성하는 방법을 설명하기로 한다. 또한, 이러한 수정된 화학기상 증착법은 널리 공지된 기술이므로, 응축 과정, 콜랩싱(collapsing) 과정 등은 생략하고 증착 과정에 대해서만 기술하기로 한다.
도시된 모재 생성 장치는 원료 가스 공급부(820)와, 선반(850)과, 산소/수소버너(860)로 구성된다.
상기 원료 가스 공급부(820)는 산소와 다수의 첨가 물질을 조합한 후 증착용 튜브(810)의 내부에 산소와 SiCl4, GeCl4, POCl3, CF4, SiF4등의 원료가스를 공급한다. 상기 GeCl4와 POCl3는 증착영역의 굴절률을 상승시킬 때 사용되고, 상기 CF4, SiF4등은 증착영역의 굴절률을 저하시킬 때 사용된다. 도 2에 도시된 바와 같은 굴절률 분포를 얻을 수 있도록 상기 원료 가스 공급부(820)는 산소와 원료가스의 유량을 적절히 조절한다. 예를 들어, 상기 분산 제어층(220)을 증착할 때는 증착이 반복됨에 따라 상기 원료 가스 공급부(820)는 상기 증착용 튜브(810)에 공급되는 CF4나 SiF4의 산소 및 SiCl4, GeCl4, POCl3에 대한 비의 증감을 조절하여 굴절률의 기울기를 유도하고, 상기 코어(210)를 증착할 때는 증착이 반복됨에 따라 상기 증착용 튜브(810)에 공급되는 GeCl4의 산소 및 SiCl4에 대한 비를 조절하여 굴절률 변화를 유도한다.
상기 선반(850)은 한 쌍의 척(chuck, 832 및 836)과 가이드(guide, 840)를 구비하며, 상기 한 쌍의 척(832 및 836)에는 증착용 튜브(810)의 양단이 회전 가능하게 고정되고, 상기 가이드(840)에는 상기 산소/수소 버너(860)가 이동 가능하게 탑재된다.
상기 산소/수소 버너(860)는 수소 및 산소를 공급받으며, 상기 증착용 튜브(810)의 외주면을 가열하면서 상기 가이드(840)를 따라 소정 속도로 이동한다.이에 따라서, 상기 증착용 튜브(810)의 내부에는 고온 영역이 형성되며, 상기 고온 영역을 지나는 원료 가스는 반응물을 생성하게 된다. 이 때의 반응식은 예로 들어, SiCl4+ O2→SiO2+ 2Cl2, GeCl4+ O2→GeO2+ 2Cl2와 같다. 상기 반응물은 열영동 메카니즘(thermophoretic mechanism)에 의해 상대적으로 온도가 낮은 상기 증착용 튜브(810)의 내벽쪽으로 이동함에 따라서 상기 증착용 튜브(810)의 내벽에 증착된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예들에서는 하나의 분산 제어층이 개시되어 있으나, 필요에 따라서 코어와 클래드 사이에 다수의 분산 제어층을 배치할 수도 있다. 이는, 단파장에서 장파장으로 갈수록 해당 광신호의 세기 분포가 분산되는 정도가 달라진다는 사실로부터 알 수 있다시피, 광대역 분산 제어 광섬유의 파장별 분산 특성을 파장을 기준으로 좀 더 세분하여 제어하고 싶은 경우에 적용된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 분산 제어 광섬유는 분산 제어층의 굴절률 분포를 이용하여 장파장 대역의 분산 특성을 조절할 수 있으므로, 다양한 광대역의 파장분할 다중화 시스템에 적용 가능하다는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 광신호의 전송 경로를 형성하며 최대 굴절률 N1을 갖는 코어와, 상기 코어를 둘러싸며 N1보다 낮은 최대 굴절률 N2를 갖는 클래드를 구비하는 광섬유에 있어서,
    각각 상기 코어와 클래드 사이에 개재되며, N1및 N2보다 낮은 굴절률에서부터 시작하여 외주로 갈수록 증가하는 굴절률 분포를 갖는 적어도 하나 이상의 분산 제어층을 포함함을 특징으로 하는 광대역 분산 제어 광섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분산 제어층 내의 최대 굴절률은 상기 N2보다 작음을 특징으로 하는 광대역 분산 제어 광섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분산 제어 광섬유는 1400nm에서 1650nm까지의 파장대역에서 음의 분산 값을 가짐을 특징으로 하는 광대역 분산 제어 광섬유.
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