KR100581622B1

KR100581622B1 - 희토류 원소가 첨가된 광섬유

Info

Publication number: KR100581622B1
Application number: KR1019990059404A
Authority: KR
Inventors: 정기태; 이영탁; 서한교; 전정우; 고석봉
Original assignee: 주식회사 케이티
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2006-05-22
Also published as: CN1300949A; CN1165788C; US20010004416A1; KR20010064957A

Abstract

본 발명은 파워 변환율과 이득효율이 우수한 희토류가 첨가된 광섬유를 개시한다.

본 발명은 클래드와, 클래드의 중심에 굴절율이 높게 형성되도록 희토류 원자가 첨가된 중앙 코어와, 중앙 코어의 바깥쪽에 클래드의 굴절율 보다 높으며 중앙 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖도록 굴절율 향상 물질이 첨가된 링형 코어로 구성된다.

본 발명에 따르면, 코어의 좁은 영역 안에 희토류 원소를 고밀도로 도핑하여 구속하는 어려운 공정을 수행하지 않고도 높은 이득효율을 얻을 수 있어 실용화에 유리하다. 또한, 신호광에서의 모드필드직경이 크기 때문에 비선형 효과가 적고 일반 광섬유와의 접속손실을 개선할 수 있다.

Description

희토류 원소가 첨가된 광섬유{RARE-EARTH DOPED OPTICAL FIBER}

도 1은 종래의 희토류 원소가 첨가된 광섬유의 일예를 굴절율 분포 그래프와 함께 개략적으로 도시한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 희토류 원소가 첨가된 광섬유의 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 희토류 원소가 첨가된 광섬유의 굴절율 분포도,

도 4는 본 발명에 따른 실시예와 종래의 실시예의 모드필드직경을 비교한 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 ; 클래드 12 ; 링형 코어

13 ; 중간영역 14 ; 중앙 코어

본 발명은 희토류 원소가 첨가된 광섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중앙의 코어 바깥쪽에 또 다른 링형 코어를 만들어 주어 모드필드직경을 크게 한 희토류 원소가 첨가된 광섬유에 관한 것이다.

광섬유 심선에 있어서 일반적으로 광선이 도파하는 부분을 코어(core)라고 하지만 광섬유 심선 내에서 광선이 반사한 경우 정확히 코어와 클래딩과의 경계면에서 반사하는 것은 아니고 실제로는 클래딩쪽으로 약간 침입하여서 반사된다.

이처럼, 광선이 클래딩내에 약간 침입하여서 도파하는 부분의 직경을 특히 모드필드직경(mode field diameter; 이하 MFD라 함.)며, 이 침입하는 깊이는 굴절율에 의해서 달라진다. 일반적으로 SI(step index)형 SMF(single mode fiber) 케이블에서는 광선이 클래딩 내에 약간 침입한다.

한편 광증폭기 또는 광섬유 레이저 분야에서는 여기 파워의 신호광 변환율을 향상시키기 위해 광섬유 코어의 중심부에 희토류 원소가 첨가되는 광섬유를 개발하였다.

도 1은 종래의 희토류 원소가 첨가된 광섬유의 일예를 굴절율 분포 그래프와 함께 개략적으로 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 희토류 원소가 첨가된 광섬유는 여기광과 신호광의 필드가 공간적으로 서로 겹치면서 신호광과 희토류 원소가 첨가된 영역간의 중첩을 최소화하기 위해 코어에 게르마늄을 첨가하여 높은 개구수(큰 굴절율 차)를 가진 계단형 구조로 이루어지며, 좀 더 효율을 개선하기 위해 희토류 원소를 코어의 중심 일부분에만 구속(confinement)되도록 하였다.

즉, 희토류 첨가 광섬유는 광섬유 코어에 첨가된 희토류 원소가 여기광을 흡수하여 여기대역으로 천이한 다음 신호광에 의해 발생되는 유도방출을 이용하는 것으로서, 여기광을 효율적으로 신호광으로 변환시키는 것이 희토류 첨가 광섬유의 성능을 결정한다. 물론 이러한 변환 과정에서 잡음 성분인 ASE(amplified spontaneous emission)는 최소화되어야 한다.

한편, 희토류 원소가 여기광에 의해 완전히 밀도 반전 상태에 이르지 않으면 신호광을 흡수하기 때문에 이득 효율이 떨어진다. 따라서, 코어의 좁은 영역안에 고밀도로 희토류 원소를 첨가시키면, 신호광과의 중첩을 줄일 수 있어 신호광 흡수에 의한 여기를 방지할 수 있다.

그러나, 이러한 종래 기술은 희토류 원소를 코어의 좁은 영역 안에 고밀도로 도핑하여 구속하는 공정이 어려뿐만 아니라, 높은 흡수계수를 얻기 힘들고, 높은 게르마늄 농도 때문에 광파손실이 크며, 신호광 파장에서 모드필드 직경(MFD)이 작아 일반 광섬유와 접속시 큰 손실을 유발하였다.

따라서 본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중앙의 코어 바깥쪽에 또 다른 링형 코어를 만들어 주어 여기광은 중앙의 코어를 통해 진행하면서 이 영역에 첨가된 희토류 원소를 여기시키고, 신호광은 바깥쪽 링형 코어까지 침투하여 진행하도록 함으로써 희토류 원소를 코어의 중심에 고밀도로 구속시키는 효과를 간접적으로 얻을 수 있는 희토류 원소가 첨가된 광섬유를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 희토류가 첨가된 광섬유에 있어서, 클래드와, 클래드의 중심에 굴절율이 높게 형성되도록 희토류 원자가 첨가된 중앙 코어와, 중앙 코어의 바깥쪽에 클래드의 굴절율 보다 높으며 중앙 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖도록 굴절율 향상 물질이 첨가된 링형 코어로 구성된 다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 2와 도 3은 본 발명에서 제안한 광섬유의 구조를 단면과 굴절율 분포로 나타낸 것이다. 광섬유의 가장 바깥쪽은 일반적으로 폴리머 코팅으로 되어 있으며, 그 안쪽에 광섬유의 클래드(11)가 있다. 그리고 그 안쪽에는 본 발명의 특징에 따른 링형 코어(12)가 있고, 그 안쪽에는 굴절율이 낮은 영역(13)이 있고, 마지막으로 가장 중심에 중심코어(14)가 있다. 중앙의 코어(14)와 그 바깥쪽으로 있는 링형 코어(12)의 굴절율은 나머지 영역보다 높아서 광신호가 이것에 의해 도파된다. 실리카 광섬유의 경우 클래드 영역(11)은 순수 실리카와 굴절률이 같고 링형 코어(12) 및 중앙의 코어(14)는 게르마늄이나 인, 알루미늄 등을 첨가하여 굴절률을 높인다. 그리고 두 코어(12,14) 사이의 영역(13)은 코어의 굴절률보다 낮게 설계되는 것이 효과적이다.

이러한 굴절률 분포의 개략적인 모양이 도 2에 나타나 있다. 일반적으로 중앙의 코어(14) 굴절률이 가장 높고, 그 다음이 링형 코어(12)의 굴절률이 높다. 도 2에서는 완전한 계단형 구조로 나타나 있지만 실제로는 다양한 모양(삼각형을 포함한 다각형 및 곡선형을 포함)으로 표현될 수 있다.

희토류 원소는 일반적으로 중앙의 코어(14)에 첨가되며, 이때 기타 목적을 위해 알루미늄이나 인, 이트븀 등을 동시에 첨가할 수 있다. 이러한 경우 파장이 짧은 여기광은 중앙의 코어(14)를 통해 진행하며, 이 여기광은 코어(14)에 첨가되어 있는 희토류 원소가 흡수하여 여기 상태로 천이 한다. 이렇게 여기된 이온은 스스로 기저 상태로 돌아오면서 자율 방출을 일으키지만 그 전에 신호광이 입사하게 되면 이것의 영향으로 유도방출을 하게 되고 이것이 신호광과 합쳐져서 광증폭 현상을 일으킨다.

이때, 본 발명에 따르면 신호광이 넓게 퍼져 있고 희토류 원소와의 중첩이 상대적으로 작기 때문에 희토류 원소가 여기광에 의해 완전히 밀도 반전 상태에 이를 수 있고, 이에 따라 신호광 흡수가 없기 때문에 이득 효율이 떨어지지 않는다. 특히 여기광의 모드필드직경이 중앙의 코어에 비해 크기 때문에 여기광으로 완전한 밀도 반전을 이룰 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 희토류 원자가 첨가된 광섬유의 설계예를 제시하면 다음과 같다.

표 1은 실리카로 제안된 희토류 첨가 광섬유의 설계사양을 나타낸 것이다.

	직경(㎚)	굴절률 차
중앙 코어(14)	2	0.018
중간 영역(13)	5	0
링형 코어(12)	7	0.006
클래드(11)	125	0

위와 같이 설계된 광섬유의 특성은 표 2와 같다.

차단파장(㎚)	960
접속손실(dB)	0.1 이하
모드필드직경(㎚)	9.4(1550㎚)
모드필드직경(㎚)	4.1( 980㎚)

이 실시예의 결과를 분석해 보면,

먼저 차단파장은 960㎚로서 980㎚파장의 여기광을 단일모드로 도파할 수 있으며, 기존의 희토류 첨가 광섬유가 특수한 방법을 사용하지 않으면 단일모드광섬유와의 접속손실이 1∼2dB 정도인 것에 비해 획기적으로 개선되었다.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 실시예와 종래의 실시예의 모드필드직경을 비교한 그래프이다.

도 4의 그래프에서 실선은 본 발명에 따른 실시예의 모드필드직경을 나타낸 것이며, 점선은 종래의 희토류 첨가 광섬유의 모드필드직경을 나타낸 것이다.

MFD비(비교예) =

이며,

MFD비(실시예) =

이다.

이처럼 실시예의 MFD가 기존의 비교예의 MFD 보다 클 뿐만 아니라, 여기파장(980㎚)과 신호파장(1550㎚)에서의 MFD차도 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.

또한, 모드필드직경도 기존의 희토류 첨가 광섬유에 비해 1.7배 정도 증가되었다.

본 발명에 따르면, 중앙의 코어 바깥쪽에 또 다른 링형 코어를 만들어 주어 여기광은 중앙의 코어를 통해 진행하면서 이 영역에 첨가된 희토류 원소를 여기시 키고, 신호광은 바깥쪽 링형 코어까지 침투하여 진행하므로 매우 큰 모드필드직경을 가지게 된다.

따라서, 희토류 원소가 첨가된 영역과의 중첩을 상대적으로 줄이면서 비선형 효과 등에 의해 제한되는 에너지 축적 능력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 희토류 첨가 영역을 넓게 할 수 있기 때문에 단위 길이당 흡수계수를 증대시킬 수 있다. 또한, 모드필드직경이 거의 단일모드 광섬유와 비슷하기 때문에 접속손실을 최소화할 수 있다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 코어의 좁은 영역 안에 희토류 원소를 고밀도로 도핑하여 구속하는 어려운 공정을 수행하지 않고도 높은 파워 변환률을 얻을 수 있어 실용화에 유리하다. 또한, 신호광에서의 모드필드직경이 크기 때문에 비선형 효과가 적고 일반 광섬유와의 접속손실을 개선할 수 있다.

Claims

희토류가 첨가된 광섬유에 있어서,

클래드와, 클래드의 중심에 굴절율이 높게 형성되도록 희토류 원자가 첨가된 중앙 코어와, 중앙 코어의 바깥쪽에 클래드의 굴절율 보다 높으며 중앙 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖도록 굴절율 향상 물질이 첨가된 링형 코어를 포함하는 희토류가 첨가된 광섬유.
제 1 항에 있어서, 상기 중앙 코어에 알루미늄(Al), 인(P) 등과 희토류가 첨가된 광섬유
제 1 항에 있어서, 상기 링형 코어의 수는 한 개 또는 그 이상인 희토류가 첨가된 광섬유