KR100419418B1

KR100419418B1 - 분산 제어 광섬유

Info

Publication number: KR100419418B1
Application number: KR10-2002-0018162A
Authority: KR
Inventors: 장윤근; 도문현; 최성욱; 한주창; 조정식; 양진성
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2004-02-21
Also published as: JP2003302548A; KR20030079240A; CN1448743A; US6999667B2; US20030190128A1; EP1353202A3; EP1353202A2; CN1210589C

Abstract

본 발명에 따라 광신호의 전송 경로를 형성하며 굴절률 N₁를 갖는 중심 코어와, 상기 중심 코어를 둘러싸며 굴절률 N₀를 갖는 클래딩을 구비하는 광섬유는, 그 외주에서의 굴절률 N₂(>N₀)에서 시작하여 그 내주에서의 굴절률 N₁까지 증가하는 굴절률 분포를 갖는 외부 코어와; 상기 외부 코어와 클래딩 사이에 개재되며 N₀보다 낮은 굴절률 N₃를 갖는 미세 굴절률 저하 영역을 포함한다.

Description

분산 제어 광섬유{DISPERSION-CONTROLLED FIBER}

본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 광대역 분산 제어 광섬유에 관한 것이다.

광섬유는 코어와 이를 둘러싸는 클래딩로 구성되며, 상기 코어의 굴절률은 클래딩의 굴절률보다 높은 값을 가진다. 광섬유 모재를 제조하는 공법으로는 MCVD(Modified Chemical Vapour Deposition) 공법, VAD(Vapour phase Axial Deposition) 공법, OVD(Outside Vapour phase Deposition) 공법, PCVD(Plasma Chemical Vapour Deposition) 공법 등이 있다.

초고속 대용량의 통신을 위해서 기존의 단일 모드 광섬유보다 전송능력이 우수한 분산 제어 광섬유(예를 들어, 분산 천이 광섬유(Dispersion-Shifted Fiber, DSF), 비영분산 천이 광섬유(Non-Zero DSF, NZDSF), 분산 보상 광섬유(Dispersion Compensated Fiber, DCF) 등)가 개발되고 있으며, 그 수요 또한 증가하고 있다. 광섬유를 구성하는 코어(core)와 클래딩(clad) 사이에 굴절률이 저하된 영역(depressed region)을 배치하면, 광섬유의 분산 특성을 효과적으로 조절할 수 있다. 이러한 예는, 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.

그러나, 이러한 분산 제어 광섬유는 클래딩에 큰 굴절률 저하 영역을 가짐으로 인하여 벤딩 손실이 크며, 일반 단일 모드 광섬유보다 작은 모드 필드 직경(Mode Field Diameter, MFD)을 갖게 되어 작은 유효 단면적으로 인해 고속 전송시 비선형 효과에 의해 영향을 받는다는 문제점이 있다. 또한, 사용 파장 대역이 어븀 첨가 광섬유 증폭기에 적합한 영역으로서 광대역 전송에는 적합하지 못하며, 보다 낮은 파장 영역 및 보다 높은 파장 영역에서는 손실 및 분산 특성이 나쁘다는 문제점이 있다.

분산 제어 광섬유의 경우 단일 모드 광섬유에 비하여 매우 작은 코어경과 높은 굴절률로 인하여 모재의 크기가 대구경화되면, 광섬유 인출시 코어 부분에 상대적으로 많은 스트레스가 가해짐에 따라서 굴절률 분포가 달라지게 된다는 문제점이 발생한다. 이는 인출 온도에 따라 여러 광특성들(예로, 손실, 분산, 분산 기울기,모드 필드 직경 등)이 일정한 값을 갖기 힘들다는 것을 의미하며, 일반 단일 모드 광섬유에 비하여 상대적으로 민감한 광특성을 갖는 분산 제어 광섬유의 경우에 그 제조가 용이하지 않게 된다.

또한, 기존의 분산 제어 광섬유는 영분산 파장을 1530㎚ 근처에 설정함으로써 1530∼1565㎚ 정도의 파장 영역(EDF 윈도우)에서 사용할 수 있게 되어 있으며, 1550㎚에서는 5㎰/㎚·㎞이하의 분산 특성을 가지며, 모드 필드 직경은 8∼9㎛ 정도의 값을 나타냄에 따라서 10Gbps급 이상의 통신에서는 적합하지 않다는 문제점이 있다.

상술한 바와 같이, 종래에 따른 분산 제어 광섬유의 문제점을 나열하자면 하기하는 바와 같다.

첫 째, 분산 보상 광섬유, 분산 천이 광섬유, 비영분산 천이 광섬유 등과 같은 기존의 분산 제어 광섬유는 1530㎚ 근처에 영분산이 위치함에 따라 사용 파장 윈도우가 작기 때문에 대용량 전송에 적합하지 않다는 문제점이 있다.

둘 째, 분산이 낮은 광섬유는 작은 분산 특성을 보인다는 문제점, 즉 초고속 전송시 비선형 효과(4-광파 혼합(Four-Wave Mixing, FWM), 상호위상변조(Cross Phase Modulation, XPM))가 발생한다는 문제점이 있다.

셋 째, 일반 단일 모드 광섬유는 EDF 윈도우에서 너무 큰 분산(≥17㎰/㎚·㎞) 특성을 갖는다는 문제점, 즉 비선형 효과(자기위상변조(self phase modulation, SPM))가 발생한다는 문제점이 있다.

넷 째, 분산 특성을 제어하기 위해 높은 코어 굴절률과 작은 코어경을 가짐으로 인하여 작은 모드 필드 직경(1550㎚에서의 유효 단면적〈 50㎛²)을 갖는다는 문제점, 즉 비선형 효과에 영향을 크게 받는다.

또한, 상기한 바와 같은 비선형 효과는 분산값이 너무 크거나 작으면(상호위상변조, 자기위상변조, 4-광파 혼합은 트레이드-오프(trade-off) 관계를 가짐) 더욱 증폭되면서 전송 특성을 악화시킨다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 하기하는 바와 같다.

첫 째, 원하는 분산 특성과 분산 기울기 특성을 얻을 수 있으며, 낮은 손실 특성을 갖는 분산 제어 광섬유를 제공함에 있다.

둘 째, 큰 코어경을 통한 큰 모드 필드 직경으로 비선형 효과를 줄일 수 있는 큰 유효 단면적을 얻을 수 있는 분산 제어 광섬유를 제공함에 있다.

셋 째, 영분산 파장 영역을 1400㎚ 이하로 위치시킴으로써 큰 사용 파장 영역(1400∼1625㎚)을 확보할 수 있으며, 1550㎚에서 5∼13 ㎰/㎚·㎞ 정도의 분산 특성을 가질 수 있는(즉, 비선형 효과를 줄일 수 있는) 분산 제어 광섬유를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 광신호의 전송 경로를 형성하며 굴절률 N₁를 갖는 중심 코어와, 상기 중심 코어를 둘러싸며 굴절률 N₀를 갖는 클래딩을 구비하는 광섬유는,

그 외주에서의 굴절률 N₂(>N₀)에서 시작하여 그 내주에서의 굴절률 N₁까지 증가하는 굴절률 분포를 갖는 외부 코어와;

상기 외부 코어와 클래딩 사이에 개재되며 N₀보다 낮은 굴절률 N₃를 갖는 미세 굴절률 저하 영역을 포함한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분산 제어 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타내는 도면,

도 2는 도 1에 도시된 분산 제어 광섬유의 분산 특성을 나타내는 도면,

도 3은 도 1에 도시된 분산 제어 광섬유의 손실 특성을 나타내는 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 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분산 제어 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타내는 도면이다. 상기 분산 제어 광섬유(100)는 중심 코어(110)와, 외부 코어(120)와, 미세 굴절률 저하 영역(130)과, 클래딩(140)으로 구성된다.

상기 중심 코어(110)는 실리카 재질이며, 반경 a를 갖고, 굴절률 조정을 위하여 소정량의 게르마늄이 도핑되고, 굴절률 N₁을 갖는다.

상기 외부 코어(120)는 내주 반경 a와 외주 반경 b를 가지며, 내주에서의 굴절률 N₁과 외주에서의 굴절률 N₂를 갖는다. 또한, 상기 외부 코어(120)의 굴절률은 외주에서 내주로 갈수록 선형적으로 증가한다.

상기 미세 굴절률 저하 영역(130)은 실리카 재질이며, 내주 반경 b와 외주 반경 c를 갖고, 굴절률 조정을 위하여 게르마늄, 인, 불소가 소정 비율로 도핑되며, 굴절률 N₃를 갖는다.

상기 클래딩(140)은 실리카 재질이며, 내주 반경 c와 외주 반경 d를 갖고, N₃보다 높고 N₂보다 작은 굴절률 N₀를 갖는다.

상기 분산 제어 광섬유(100)는 영분산이 1400㎚ 이하에 존재하며, 소정 범위의 분산값(1400㎚에서 0.1∼4㎰/㎚·㎞, 1550㎚에서 5∼13㎰/㎚·㎞, 1625㎚에서 8∼16 ㎰/㎚·㎞)과, 큰 MFD 또는 유효 단면적(1550㎚에서 8.5∼10.0㎛)을 가짐으로써 비선형 효과를 줄인다. 이를 위하여, 상기 분산 제어 광섬유(100)는 0.06≤a/b≤0.8과 0.02≤a/c≤0.9인 관계와, 1.2≤N₁/N₂≤2.67과 -8≤N₁/N₃≤1.6인 관계를 만족한다. 이 때, 기준이 되는 유리의 굴절률값은 632.8㎚에서 헬륨-네온 레이저로 측정했을 때 1.45709를 나타낸다.

도 2는 도 1에 도시된 분산 제어 광섬유(100)의 분산 특성을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 분산 제어 광섬유(100)의 손실 특성을 나타내는 도면이다. 상기 도 2 및 도 3은 a/b=0.206, a/c=0.0781, N₁=0.4781%, N₂=0.273%, N₃=-0.0683%인 경우를 나타내고 있으며, 1400∼1625㎚에서의 분산값은 2∼16㎰/㎚·㎞이며, 1550㎚에서 모드 필드 직경은 9.5㎛이다. 이 때, 기준이 되는 유리의 굴절률값은 632.8㎚에서 헬륨-네온 레이저로 측정했을 때 1.45709를 나타내며, N₁, N₂및N₃는 이에 대한 백분율을 표시한 것이고, a=0.5, b=2.43, c=6.4이다.

소정의 굴절률 기울기를 갖는 상기 외부 코어(120)는 큰 모드 필드 직경을 가질 수 있게 하며, 상기 미세 굴절률 저하 영역(130)과 함께 원하는 분산값 및 분산 기울기 특성을 갖도록 조절될 수 있다. 상기 미세 굴절률 저하 영역(130)은 상기 클래딩(140)과 미세한 굴절률차를 갖기 때문에 종래에 비하여 작은 미세 굴곡을 갖게 하며, 이로 인하여 벤딩 손실이 감소된다.

광특성적 측면에서, 분산이 너무 큰 경우에 광섬유 전송 길이는 제약을 받게 되며, 비선형 효과로 발생되는 위상 천이에 의한 자기위상변조에 의하여 전송 특성이 악화된다. 또한, 영분산 근처 파장에서의 분산값과 작은 분산값 특성은 위상 정합(phase matching)을 쉽게 야기할 수 있어서, 통신 용량 확장을 고려한 다중 채널 전송의 경우에 4-광파 혼합에 의해 전송 특성이 악화된다. 따라서, 초고속 광대역 전송을 고려할 때, 적정한 분산값을 가져야 하며, 비선형 효과를 감소시키기 위해 큰 모드 필드 직경을 가져야 한다.

본 발명에 따른 분산 제어 광섬유는 미세 굴절률 저하 영역과 외부 코어의 조절을 통하여 용이하게 초고속 광대역 전송에 적합한 분산값 및 분산 기울기를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 분산 제어 광섬유는 1550㎚ 파장에서 0.25㏈/㎞ 이하의 손실과, 1400㎚ 이하의 차단 파장과, 0.08㎰/㎚²·㎞ 이하의 분산 기울기를 가지며, 1400㎚ 파장에서 0.1㎰/㎚·㎞ 이상의 분산값과, 1625㎚ 파장에서 16㎰/㎚·㎞이하의 분산값과, 1550㎚ 파장에서 8.2㎛ 이상의 모드 필드 직경을 가짐에 따라서, 1400∼1625㎚의 파장 대역을 사용하여 파장분할 다중화 전송용으로 적합한 광특성을 갖는다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분산 제어 광섬유는 하기하는 바와 같은 이점들이 있다.

첫 째, 큰 유효 단면적을 가짐으로써 비선형 효과를 줄일 수 있다.

둘 째, 미세 굴절률 저하 영역과 외부 코어의 조절을 통하여 용이하게 초고속 광대역 전송에 적합한 분산값 및 분산 기울기를 얻을 수 있다.

셋 째, 미세 굴절률 저하 영역과 클래딩의 미세한 굴절률차로 인하여 벤딩 손실이 감소된다.

Claims

광신호의 전송 경로를 형성하며 굴절률 N₁를 갖는 중심 코어와, 상기 중심 코어를 둘러싸며 굴절률 N₀를 갖는 클래딩을 구비하는 광섬유에 있어서,

그 외주에서의 굴절률 N₂에서 시작하여 그 내주에서의 굴절률 N₁까지 증가하는 굴절률 분포를 갖는 외부 코어와;

상기 외부 코어와 클래딩 사이에 개재되며 N₀보다 낮은 굴절률 N₃를 갖는 미세 굴절률 저하 영역을 포함함을 특징으로 하는 분산 제어 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 외부 코어의 외주는 상기 중심 코어의 외주와 일치하고, 상기 외부 코어의 내주는 상기 중심 코어의 중심과 소정 거리로 이격되어 있으며, 상기 외부 코어의 굴절률은 N₂에서 N₁까지 선형적으로 증가함을 특징으로 하는 분산 제어 광섬유.
제2항에 있어서,

상기 외부 코어의 내주 반경 a 및 외주 반경 b와, 상기 클래딩의 내주 c는 0.06≤a/b≤0.8과 0.02≤a/c≤0.9인 관계를 만족함을 특징으로 하는 분산 제어 광섬유.
제3항에 있어서,

1.2≤N₁/N₂≤2.67과 -8≤N₁/N₃≤1.6인 관계를 만족함을 특징으로 하는 분산 제어 광섬유.
제4항에 있어서,

상기 광섬유는 1550㎚ 파장에서 0.25㏈/㎞ 이하의 손실과, 1400㎚ 이하의 차단 파장과, 0.08㎰/㎚²·㎞ 이하의 분산 기울기를 가지며, 1400㎚ 파장에서 0.1㎰/㎚·㎞ 이상의 분산값과, 1625㎚ 파장에서 16㎰/㎚·㎞ 이하의 분산값과, 1550㎚ 파장에서 8.2㎛ 이상의 모드 필드 직경을 가짐에 따라서, 1400∼1625㎚의 파장 대역을 사용하여 파장분할 다중화 전송용으로 적합한 광특성을 가짐을 특징으로 하는 분산 제어 광섬유.