KR100472055B1 - 전송용 광섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전송용 광섬유에 관한 것으로, SiO₂로 이루어진 코어 및 클래딩을 포함하는 전송용 광섬유에 있어서, 코어 및 클래딩의 SiO₂에 GeO₂ 및 F가 도핑된 것을 특징으로 한다. 따라서, 코어 및 클래딩의 굴절률을 조정하여 원하는 분산 값과 낮은 비선형성을 유지하면서 높은 라만 이득계수를 얻을 수 있고, 레이저 다이오드의 펌프파워를 줄일 수 있고, 펌프파워를 줄임으로 해서 레이저 다이오드의 가격을 인하할 수 있으며, 레이저 다이오드가 고출력으로 동작하지 않아도 되기 때문에 수명이 연장되는 효과가 있다.

Description

전송용 광섬유{Transmission optical fiber}

본 발명은 광통신 시스템에서 사용되는 전송용 광섬유에 관한 것으로서, 특히 라만 광 이득을 높이면서 넓은 유효 단면적을 갖고 기존의 분산 특성을 유지 할 수 있는 전송용 광섬유에 관한 것이다.

광통신은 빛을 이용하여 정보를 주고 받는 통신방식으로써, 전송매체로서 광섬유 전송로, 광원으로서 반도체 레이저 또는 발광 다이오드, 수광기로서 광검파기 등을 사용한다. 여기서 광섬유는 중앙의 코어(core)라고 하는 부분을 주변에서 클래딩(cladding)이라고 하는 부분이 감싸고 있는 이중원기둥 모양을 하고 있는데, 코어 부분의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높아서 빛이 코어 부분에 집속되어 빠져나가지 않고 진행할 수 있게 되어 있다. 코어의 지름이 수 ㎛인 것을 단일모드(single mode) 광섬유, 수십 ㎛인 것을 다중모드(muti-mode) 광섬유라 하고, 코어의 굴절률 분포에 따라 계단형, 언덕형 광섬유 등으로 나눈다. 일반적으로 광섬유의 코어는 SiO₂에 GeO₂를 도핑한 구조을 갖고, 클래딩은 SiO₂를 그대로 사용하거나 SiO₂에 P₂O₅ 및 플루오린(F)이 도핑된 구조를 갖는다.

광통신 시스템에서 일반적으로 사용되는 전송용 광섬유에는 표준 단일모드 광섬유(standard single mode fiber), 분산조정 광섬유(dispersion managed fiber), 분산 천이 광섬유(dispersion shifted fiber), Non-zero dispersion shifted fiber 등이 있다. 이러한 전송용 광섬유 들은 크게 분산특성과 비선형 현상에 있어서 모두 서로 다른 특성 보인다. 전송용 광섬유로 가장 널리 사용되는 표준 단일모드 광섬유(standard single mode fiber)는 코어와 클래딩의 굴절률 차가 0.004 ~ 5 정도를 갖고, 분산 특성은 1.3 ㎛ 파장 대에서 영(zero) 분산을, 1.55 ㎛에서는 17 ps/nm/km 정도의 값을 가지며, 피크 라만 이득 효율(Peak Raman gain efficiency)은 약 0.34 W^-1km^-1 를 갖는다. 참고로 집중형(lumped type) 라만 광 증폭기용 라만 광섬유는 피크 라만 이득 효율(Peak Raman gain efficiency)이 6.5 W^-1km^-1 정도로 매우 높은데, 이는 코어에 GeO₂를 많이 첨가하여 라만 이득을 높였고, GeO₂에 의해 코어 굴절률이 증가하고 단일모드 조건을 맞추기 위한 코어 반경을 줄임으로 인해 유효 단면적이 작아져서 광섬유 내에 빛이 느끼는 광파워 대 면적비가 커지기 때문이다.

DCF(dispersion compensating fiber, index difference = 0.026) 의 경우는 피크 라만 이득 효율(Peak Raman gain efficiency)은 3.12 W^-1km^-1 정도인데, 코어 반경이 작고 코어 굴절률이 높기 때문에 라만 이득이 크다. NZDSF(Non-zero dispersion shifted fiber)같은 경우는 분산 값이 영(zero)이 되는 곳이 대략 S-band 영역이고, C-band 대역에서는 낮은 분산 값을 갖고 있어서 C-band를 이용하는 광 전송 시스템에서는 표준 단일모드 광섬유 보다 그 특성이 우수하다. 피크 라만 이득 효율(Peak Raman gain efficiency) 면에서는 0.7 W^-1km^-1 의 값을 갖는다. 그밖에 다른 전송용 광섬유 중에서 서로 다른 분산 특성 외에 피크 라만 이득 효율(Peak Raman gain efficiency)에 대해서는 DSF는 0.66, LEAF는0.45 W^-1km^-1 정도로 알려져 있다.

전송용 광섬유를 디자인 함에 있어서 크게 고려할 사항들은 광섬유 손실과 빛이 느끼는 코어의 유효단면적을 크게 하여 비 선형성을 낮게 유지하는 것, 그리고 광섬유의 분산 특성 등이 있다. 분산 특성에 대해서 분산 조정 광섬유(dispersion managed fiber)는 낮은 분산 영역에서 전송시 발생하는 forwave mixing 을 제거하고, 전송시 신호가 느끼는 평균 분산값을 영으로 두는 광섬유를 일컫는다. 미국 특허 제 6,044,191호에서는 "Dispersion managed optical waveguide"를 명칭으로 하여 분산값이 광섬유의 길이에 따라 양의 값에서 음의 값으로 변하고, 광섬유의 코어의 지름을 주기적으로 다르게 하여 분산조정을 함으로써 평균 분산을 영에 근사하게 제작하는 방법에 대하여 개시하고 있다.

전송용 광섬유의 경우 피크 라만 이득 효율(Peak Raman gain efficiency) 면에서는 코어의 굴절률도 작고 유효 단면적이 크기 때문에, 비선형 계수도 값이 매우 작고 라만 이득도 매우 작게 된다. 따라서 라만 이득을 높이기 위해서 종래에는 코어에 GeO₂를 첨가하는 방법이 사용되었다. 하지만 코어 굴절률의 증가는 단일모드 조건을 만들기 위해서 코어 반지름을 감소시켜야 하는데, 이것은 광섬유의 비선형 특성을 크게 증가시켜 전송 미디엄의 분산 특성을 현저히 변경시키는 단점이 있다. 또한 코어 굴절률 증가는 개구율(numerical aperture)을 크게 하므로 이중 레일레이 후방반사 계수(double Rayleigh back scattering coefficient)를 증가시킨다. 이중 레일레이 후방반사(DRBS)에 의한 빛은 라만 펌핑되는 전송용 광섬유에서 그대로 증폭되어 수신단에 도달하므로 신호 감도를 심하게 떨어뜨리게 된다. 따라서 전송용 미디엄에서 코어굴절률 계수의 증가는 많은 다른 현상을 일으켜 전송용 미디엄으로 가치가 없게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 라만 광 이득을 높이면서 넓은 유효 단면적을 갖고 기존의 분산 특성, 비선형 특성 및 후방 레일레이 산란 값을 유지 할 수 있는 전송용 광섬유을 제공하는데 있다.

상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 전송용 광섬유는 SiO₂로 이루어진 코어 및 클래딩을 포함하는 전송용 광섬유에 있어서, 코어 및 클래딩의 SiO₂에 GeO₂ 및 F가 도핑된 것이 바람직하다. 상기 코어의 SiO₂ 에는 GeO₂ 가 3.0 내지 10 mol % 및 F 가 0.1 내지 5 mol % 도핑된 것이 바람직하고, 상기 클래딩의 SiO₂ 에는 GeO₂ 가 0.1 내지 3 mol % 및 F 가 0.05 내지 1.5 mol % 도핑된 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 높은 라만 이득계수를 얻고, 비선형성이나 이중 후방 레일레이 산란을 줄이는 전송용 광섬유를 디자인하기 위해, 코어나 클래딩에 GeO₂를 첨가하면서 동시에 플루오린(fluorine)을 도핑한다. 따라서 GeO₂에 의한 굴절률 증가를 줄이고 코어에 GeO₂ 농도는 크게 하여 라만 광 이득을 높게 할 수 있다. 이때, 코어의 GeO₂ 의 농도 범위는 3.0 내지 10 mol % 이고, 플루오린의 농도 범위는 0.1 내지 5 mol % 인 것이 바람직하다. 코어의 굴절율 범위는 순수한 SiO₂ 보다 0.003 내지 0.015 만큼 크게 유지되는 것을 특징으로 하며, 굴절률 조절은 GeO₂에 의해 증가하는 것이고 여기에 플루오린을 첨가하여 전체 굴절율을 조절하게 된다. 그리고, 클래딩의 GeO₂ 의 농도 범위는 0.1 내지 3 mol % 이고, 플루오린의 농도 범위는 0.05 내지 1.5 mol % 인 것이 바람직하다. 클래딩의 굴절율은 순수한 SiO₂보다 0.0 내지 0.003 만큼 낮은 범위가 되도록 디자인 한다.

이러한 구조를 갖는 전송용 광섬유는 표준 단일모드 광섬유, 분산조정 광섬유(dispersion managed fiber), Non-zero dispersion shifted fiber 등에 사용될 수 있다. 또한 이러한 구조를 갖는 전송용 광섬유는 분산 라만 증폭기(Distributed Raman Amplifier) 구조의 광섬유 증폭 시스템에 사용될 수 있다.

이하에서는 코어에 GeO₂ 및 플루오린이 같이 도핑된 경우 라만 이득면에서 좋고, 비선형성이 작으며, 후방 레일레이 산란값이 작아서 전송 미디엄으로 좋은 특성을 보인다는 것을 비교하기 위해 세가지의 광섬유를 비교하여 분석한다. 분석에서 클래딩의 조성은 라만 이득 특성에 큰 영향을 주지 않으므로 고려하지 않았다.

도 1은 계단형 굴절률 분포를 갖는 광섬유의 GeO₂ 및 F의 첨가에 따른 각 특성을 비교하기 위한 도면이고, 도 2는 이러한 각각의 구조에 대해 개구율(numerical aperture), 라만 이득 효율, 비선형 계수 및 이중 레일레이 후방반사 계수(double Rayleigh back scattering coefficient)의 값들을 나타낸다. 라만 이득이란 광섬유에 고출력 레이저 광을 입사하면 stimulated Raman scattering 현상이 일어나는데, 고출력으로 입사한 레이저 광이 polarizability 값의 진동으로 다른 파장으로도 빛이 나오게 되면 이에 해당하는 빛의 파장에 신호광원을 넣었을 때 얻는 이득을 말한다. 그리고, 라만 이득 효율(Raman gain efficiency)은 라만 이득 지수(Raman gain coefficient)를 광섬유의 유효 면적(effective area)으로 나눈 값으로 이 값에 펌프 레이저 파워(pump laser power)를 곱하게 되면 이득율이 계산된다.

도 1(a)는 실리카 섬유(Silica fiber)의 코어 내에 GeO₂ 의 첨가로 굴절률이 0.005 올라간 일반적으로 사용되는 단일모드 광섬유 구조이다. 굴절률 구조는 단순히 계단형 프로파일을 나타내고, 코어의 굴절률을 높이기 위해 실리카 구조에 3.2 mol % 의 GeO₂를 첨가 하여 클래딩에 비해 약 0.005 정도로 높은 굴절률 분포를 갖는다.

도 1(b)는 실리카 섬유(Silica fiber)의 코어 내에 GeO₂ 의 첨가로 굴절률이 0.01 올라간 일반적으로 사용되는 단일모드 광섬유 구조이다. 도 1의 (b)의 코어는 도 1(a)에 비해 약 두 배 정도인 6.45 mol % 의 GeO₂ 를 첨가한 결과 클래딩에 비해 굴절률이 약 0.01 정도 높아졌지만, 단일 모드 조건을(차단 파장 1.21 ㎛)위해 코어의 반지름은 도 1(a)에 비해 줄었다.

도 1(c)는 실리카 섬유(Silica fiber)의 코어 내에 GeO₂ 를 6.45 mol % 정도로 첨가하여 굴절률이 0.01 로 상승했지만, 플루오린(Fluorine)을 3.2 mol % 로 도핑함으로써 굴절률이 0.005로 낮추어진 광섬유 구조이다. 굴절률차가 도 1(a) 같이 표준 단일 모드 조건인 0.005 정도로 얻어졌고, 단일모드 조건을 위한 차단파장 1.21 ㎛ 로 하였을 때 코어 반경역시 도 1(a)와 같다. 그러나 실제로 코어내의 GeO₂ 의 농도는 도 1(b) 와 같이 6.45 mol %이다. 결과적으로 도 1(a)와 도 1(c)는 굴절률이 같고, 도 1(b)와 도 1(c)는 GeO₂의 농도가 동일한 구조이다.

도 1(a) 내지 도 1(c)에 도시된 세 종류 광섬유의 라만 이득을 비교하면, 도 1(a)는 표준형 광섬유로 GeO₂의 농도가 작고 유효 단면적이 크기 때문에, 라만 이득계수는 0.621 W^-1km^-1 로 가장 작고 비선형 계수 또한 1.219 W^-1km ^-1 로 가장 작으며 후방 이중 레일레이 산란 값도 5.712 10^-5km^-1로 매우 작다. 도 1(b)의 경우는 굴절률 차가 크고, 유효 단면적이 작아서 라만 이득계수는 1.6 W^-1km^-1 으로 가장 크고 비선형 계수 또한 2.69 W^-1km^-1로 가장 크며 후방 이중 레일레이 산란 값도 15.32 10^-5km^-1로 개구율(numerical aperture)이 크기 때문에 제일 크게 된다. 도 1(c)의 경우는 도 1(a)와 (b)의 중간적인 성격을 갖는다. 코어 내 GeO₂의 농도는 도 1(b)의 경우와 같지만 라만 이득은 다소 작고, 도 1(a)와 비교하면 같은 굴절률 분포를 가지면서 GeO₂ 농도면에서 보았을 때 도 1(c)의 경우가 훨씬 높기 때문에 라만 광 이득이 0.756 W^-1km^-1로 더 크게 된다. 그리고 비선형 계수의 경우는 1.272 W^-1 km^-1로써 도 1(a)보다는 약간 크지만 도 1(b)의 경우보다는 훨씬 작다. 이중 레일레이 후방 산란 값은 5.712 10^-5km^-1로 도 1(a)와 비슷하거나 같게 된다. 결국 저 굴절률을 가진 전송용 광섬유를 디자인 할 때 도 1(c)의 경우처럼 GeO₂의 농도를 높게 하면서 저 굴절률을 유지하는 구조의 경우가 라만 광 이득면에서 유리하게 된다.

도 3은 도 1(a) 내지 도 1(c)의 각 경우에 대한 펌프 파워 대비 라만 이득의 그래프이다. 계산의 조건은 광섬유의 차단 파장(cutoff wavelength)은 1.21 ㎛으로 동일하게 하였고, 각각의 경우 GeO₂의 농도에 따른 라만 이득계수를 사용하였으며, 도파로 효과(Waveguide effect)를 고려하여 파장에 따른 유효 면적(effective area)을 다르게 하여 실제와 근사하게 시뮬레이션(simulation) 하였다. 도 3에서 가로축은 입력 펌프 파워 값(mW)이고, 세로축은 분산 라만 증폭기(distributed Raman amplifier)의 이득(gain)을 정의하는 라만 On/Off 이득(Raman On/Off gain)(dB)이다. 입력 채널(channel)은 40 채널로 전체 파워는 6 dBm 이고, 도시된 그림은 이중 한 파장(1.55 ㎛)에서의 값이다. 도 3을 참조하면, 도 1(b) 경우가 적은 파워에서도 높은 라만 이득 값을 보여주고 있다. 즉, 30 dB를 얻는데 약 310 mW 정도가 요구된다. 도 1(a)의 경우는 30 dB 이상의 이득을 얻기 위해 600 mW 이상의 값을 필요로 하는데, 도 1(b)의 경우는 약 460 mW 정도의 보다 작은 값을 필요로 한다. 도 1(a) 내지 도 1(c)에서의 세 종류의 광섬유에 대해 비교결과 라만 이득 효율(Raman gain efficiency)이 높은 광섬유가 라만 이득이 큰 것을 알 수 있다.

도 4는 도 1(a) 내지 도 1(c)의 각 경우에 대한 광 신호대 잡음비(Optical signal to noise ratio:OSNR)를 계산한 그래프이다. 도 4a는 펌프 파워(Pump power)에 대한 OSNR을 도시한 그래프이고, 도 4b는 도 2에서 얻어진 라만 On/Off 이득에 대한 OSNR을 도시하였다. OSNR은 이중 레일레이 후방 산란값(double Rayleigh back scattering)이 잡음 텀(Noise term)으로 고려되어 계산되었다. 따라서 값이 크면 클수록 좋은 특성을 보이는 것을 의미한다. 도 4a를 참조하면, 도 1(a)와 (c)의 경우가 좋은 특성을 보이고 있다. 도 1(b)의 경우는 OSNR이 매우 나빠지고 있음을 알 수 있다. 이는 이중 레일레이 후방 산란값과 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 레벨의 증가가 그 원인이 되었다. ASE 레벨이란 광 증폭기에서 발생하는 증폭기 노이즈로서, 임의의 노이즈(spontaneous noise)가 증폭기 내부에서 커져서 신호광원에 영향을 미치게 되는 현상을 말한다.

도 4b는 가로축이 라만 On/Off 이득일 때 OSNR에 대해 도시한 것이다. 도 1(a)와 도 1(c) 조건의 결과가 거의 같게 나타나고 있음을 알 수 있다. 즉 같은 이득이라면 서로 비슷한 OSNR을 보이기 있기 때문에 도 1(c)의 경우는 도 1(a)에 비하여 펌프 파워를 줄일 수 있다는 장점을 보여주고 있다.

도 5는 도 1(a) 내지 도 1(c)의 각 경우에 대한 신호 대 이중 레일레이 후방 산란(Signal to Double Rayleigh Back scattering:DRBS)값을 계산한 그래프이다. 도 5a는 펌프 파워(Pump power)에 대한 신호/DRBS 을 도시한 그래프이고, 도 5b는 도 2에서 얻어진 라만 On/Off 이득에 대한 신호/DRBS 을 도시하였다. 신호/DRBS는 광 신호 파워에 대한 DRBS의 비를 의미하는데, 이 값은 신호에 대한 DRBS가 얼마나 적게 일어나는 지를 나타내는 척도로 분산 라만 증폭기(distributed Raman amplifier)에서 중요한 파라미터(parameter)가 된다. 도 5a를 참조하면, 도 1(b)의 경우가 가장 작게 나타나고 있고, 도 1(a)와 도 1(c)의 경우는 좋은 특성을 보이고 있다. 도 5b의 경우도 도 1(a)와 도 1(c)의 경우는 서로 비슷한 값을 보이면서 좋은 특성을 보이고 있다. 상술한 것처럼 도 1(a)의 경우는 원하는 라만 이득을 얻기 위해 도 1(c)의 경우보다 더 많은 파워를 필요로 하지만 그 밖의 OSNR, 신호/DRBS 의 특성은 서로 비슷한 값을 갖는 것을 알 수 있다.

따라서, 도 1(c)의 경우는 OSNR이나 DRBS 등에는 같은 특성을 갖지만, 코어에 GeO₂의 함유량이 높고 굴절률은 플루오린(Fluorine)을 함께 도핑함으로써 낮은 개구율(N.A.)을 유지 할 수 있으므로 적은 값의 DRBS를 유지하면서 같은 굴절률을 갖는 단순한 Ge만 도핑한 경우에 비하여 적은 펌프파워로도 높은 라만 이득을 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 전송용 광섬유은 코어와 클래딩에 GeO₂를 첨가하고 F를 함께 도핑함으로써 코어 및 클래딩의 굴절률을 조정하여 원하는 분산 값과 낮은 비선형성을 유지하면서 높은 라만 이득계수를 얻을 수 있다. 따라서 레이저 다이오드의 펌프파워를 줄일 수 있고, 펌프파워를 줄임으로 해서 레이저 다이오드의 가격을 인하할 수 있으며, 레이저 다이오드가 고출력으로 동작하지 않아도 되기 때문에 수명이 연장되는 효과가 있다. 또한 광통신 시스템에서 일반적으로 사용되는 전송로 광섬유인 표준 단일모드 광섬유의 제조 스펙(spec)상 굴절률 프로파일, 분산 값, 손실 값, 모드 필드 지름(mode field diameter), 유효 면적(effective area) 등을 그대로 유지하면서 라만 이득계수만 높이기 때문에, 기존의 제조방법과 큰 차이가 없이 제조할 수 있는 효과가 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 계단형 굴절률 분포를 갖는 광섬유의 GeO₂ 및 F의 첨가에 따른 각 특성을 비교하기 위한 도면.

도 2는 도 1(a) 내지 도 1(c)의 각 경우에 대한 개구율, 라만 이득, 비선형 계수 및 이중 레일레이 후방반사 계수를 설명하기 위한 도면.

도 3은 도 1(a) 내지 도 1(c)의 각 경우에 대한 펌프 파워 대비 라만 이득의 그래프.

도 4a 및 4b는 도 1(a) 내지 도 1(c)의 각 경우에 대한 광 신호대 잡음비를 계산한 그래프.

도 5a 및 5b는 도 1(a) 내지 도 1(c)의 각 경우에 대한 신호 대 이중 레일레이 후방 산란값을 계산한 그래프.

Claims (8)

1. 실리카로 이루어진 코어 및 클래딩을 포함하는 전송용 광섬유에 있어서,

   상기 코어에 GeO₂ 및 F가 동시에 도핑된 것을 특징으로 하는 전송용 광섬유.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코어에는 GeO₂ 가 3.0 내지 10 mol % 및 F 가 0.1 내지 5 mol % 도핑된 것을 특징으로 하는 전송용 광섬유.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 클래딩에 GeO₂ 및 F가 동시에 더 도핑된 것을 특징으로 하는 전송용 광섬유.
6. 제 5항에 있어서, 상기 코어에 도핑된 GeO₂의 농도는 상기 클래딩에 도핑된 GeO₂의 농도보다 큰 것을 특징으로 하는 전송용 광섬유.
7. 제 5항에 있어서, 상기 코어에는 GeO₂ 가 3.0 내지 10 mol % 및 F 가 0.1 내지 5 mol % 도핑되고, 상기 클래딩에는 GeO₂ 가 0.1 내지 3 mol % 및 F 가 0.05 내지 1.5 mol % 도핑된 것을 특징으로 하는 전송용 광섬유.
8. 제 5항에 있어서, 상기 코어 및 상기 클래딩에 GeO₂ 및 F의 도핑에 의하여 상기 코어의 굴절율은 0.003 내지 0.015 만큼 증가되고, 상기 클래딩의 굴절율은 0.003 이하 만큼 감소되는 범위에서 이루어진 것을 특징으로 하는 전송용 광섬유.