KR100617293B1 - 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파라메트릭 증폭기를 위한 분산천이 광섬유에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 파라메트릭 광증폭기에 적합한 실리카 기반의 광섬유로 비선형 계수가 크며 유효 면적(effective area)이 작은 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산 천이 광섬유를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 굽힘에 의한 손실 및 일반 단일 광섬유와의 접속시 발생하는 모드 필드 직경 차에 의한 접속 손실을 감소시킬 수 있는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산 천이 광섬유를 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명이 제공하는 파라메트릭 증폭기를 위한 분산천이 광섬유는 반지름이 매우 작으면서 굴절률이 높은 직사각형의 코어와 움푹 파인 클래드, 링이 있는 외부 클래드로 구성되어 있으며 코어와 내부 클래드 일부분에 중금속이 첨가되어 있다.
Description
도 1a는 사다리꼴의 코어와 링을 가지는 분산천이 광섬유의 구조도이다.
도 1b는 이중 클래드를 가지는 분산천이 광섬유의 구조도이다.
도 2는 타원형의 코어와 이중 클래드, 링을 가지는 분산천이 광섬유의 구조도이다.
도 3은 일반적인 파라메트릭 증폭기의 구성도이다.
도 4는 파라메트릭 증폭기의 증폭 원리인 FWM을 설명하는 도면이다.
도 5는 광섬유의 다양한 코어 구조(직사각형, 타원형, 삼각형)를 제시한 도면이다.
도 6은 다양한 코어 구조(직사각형, 타원형, 삼각형)의 파장의 변화에 대한 유효 굴절률의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 다양한 코어 구조(직사각형, 타원형, 삼각형)의 반경에 따른 필드 세기의 분포를 보여주는 그래프이다.
도 8은 다양한 코어 구조(직사각형, 타원형, 삼각형)의 파장의 변화에 대한 유효 면적의 변화를 설명하는 그래프이다.
도 9a는 코어는 직사각형이고 클래드는 매치드인 광섬유의 구조도이다.
도 9b는 코어는 직사각형이고 클래드는 움푹 파인 광섬유의 구조도이다.
도 9c는 코어는 직사각형이고 클래드는 이중인 광섬유 구조도이다.
도 10은 다양한 클래드 구조(매치드, 움푹 파인 구조, 이중 구조)의 파장의 변화에 대한 유효 굴절률의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 다양한 클래드 구조(매치드, 움푹 파인 구조, 이중 구조)의 반경에 따른 필드 세기의 분포를 보여주는 그래프이다.
도 12는 다양한 클래드 구조(매치드, 움푹 파인 구조, 이중 구조)의 파장의 변화에 대한 유효 면적의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 13은 다양한 클래드 구조(매치드, 움푹 파인 구조, 이중 구조)의 파장의 변화에 대한 분산의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 14는 코어에 첨가하는 다양한 중금속의 농도에 따른 감수율의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 15는 두 광섬유의 상대적인 필드 크기에 따른 접속 손실을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명에서 제시하는 분산천이 광섬유의 구조도이다.
도 17은 본 발명에서 제시하는 분산천이 광섬유의 분산 및 유효 면적을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 파라메트릭 증폭기를 위한 분산천이 광섬유에 관한 것이다.
파라메트릭 광증폭기(optical parametric amplifier)의 활용 분야가 다양해지면서 이에 대한 관심이 커지고 연구 또한 활발해지고 있다. 파라메트릭 광증폭기는 광섬유를 이득 매질로 하여 임의의 파장에서 증폭이 가능하며 이득 대역폭이 넓다는 특징이 있다. 또한 하나의 펌프로 입력 신호 뿐만 아니라 그 반대편에 또 다른 신호(idler)를 만들어 증폭하므로 변환 효율(conversion efficiency)이 높으며 잡음지수(noise figure)가 낮다. 따라서 이러한 파라메트릭 광증폭기는 S밴드나 U밴드의 증폭기로 쓰일 뿐만 아니라 파장 변환기(wavelength converter)나 스위치(switch), 신호 처리(signal processing) 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.
이러한 파라메트릭 증폭기의 성능을 향상시키기 위해 필요한 것은 2 watt 이상의 출력을 가지는 펌프와 20 W-1km-1 이상의 높은 비선형 계수를 가지는 광섬유이다. 초기에는 사 광파 혼합(Four Wave Mixing(FWM))에 적합한 분산 특성을 갖는 일반 분산 천이 광섬유를 사용하였다.
이러한 일반 분산 천이 광섬유는 장거리 전송에 있어서 손실을 최소화하는데 초점을 두어 설계가 되었다. 또한 분산에 의한 전송 거리의 제한을 극복하기 위해 분산 기울기를 최소화하도록 설계하였다. 따라서 이러한 일반 분산 천이 광섬유는 손실이 작은 반면 비선형 계수가 2 W-1km-1로 매우 작다. 또한 지금까지 분산 천이 광섬유의 개발 방향은 유효 면적을 넓이는 것과 굽힘에 의한 손실을 줄이는 것이었 다.
넓은 유효 면적을 가지는 분산 천이 광섬유는 도 1a, 도 1b 및 도 2에 제시된 바와 같이, 반경에 따른 굴절률 분포가 타원형(graded)이나 사다리꼴형(trapezoid)의 코어(Louis-Anne de Montmorillon, "Optical fiber with optimized ratio of effective area to dispersion scope for optical transmission system with wavelength multiplexing", US Patent 6,535,676 B1, Mar. 18, 2003)와 이중 클래드(Shoichiro Matsuo, "Dispersion shifted optical fiber", US Patent 6,546,177 B1, Apr. 8, 2003) 구조로 설계되었다.
굽힘에 의한 손실을 줄이기 위하여 도 2에 제시된 바와 같이, Mariamme Paillot는 외부 클래드에 링(ring)을 추가하였다(Mariamme Paillot, "Single mode dispersion-shifted optical fiber comprising an external refractive index ring", US 6,424,775 B1, Jul. 23, 2002).
또한 최근에는 납이나 비스무트와 같은 중금속이 광섬유의 비선형 굴절률을 높인다는 연구 결과가 보고되었다(M. Asobe, et. al, "Laser-diode-driven ultrafast all-optical switching by using highly nonlinear chalcogenide glass fiber", Opt. Lett., 18, 1056-1058 (1993)).
미국특허 US Patent 5,148,510(Nicholas F. Borrelli, et. al, "Optical fiber made of galliobismuthate glasses and optical devices using same")에 제시된 바에 의하면, 중금속 산화물 유리의 감수율(susceptibility)의 측정 결과 감수율은 중금속의 농도에 비례한다는 것이 밝혀졌다. 현재 비선형성이 큰 광섬유로 활발히 연구되고 있는 것은 광자 결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber(PCF))이다(Douglas Clippinger Allan, et. al, "Photonic Crystal Fiber", US 6,243,522 B1, Jun. 5, 2001.). PCF는 여러 개의 모세관 유리를 하나의 유리관에 적층해서 만들기 때문에 유효 면적을 충분히 줄일 수 있다.
이러한 장점 때문에 PCF는 파라메트릭 광증폭기용으로 사용되고 있으나 손실이 크고 실리카(silica) 광섬유와의 접속이 힘들다는 단점이 있다. 보통의 실리카 광섬유는 SiCl4 등의 여러 물질을 화학 반응시켜 적층해서 만들지만 PCF는 모세관을 적층하므로 외부와 접촉하는 공정 과정이 반드시 필요하다. 따라서 이러한 외부와 접촉하는 공정 과정에서 불순물이 들어가거나 모세관 사이에 이물질이 끼여서 광섬유로 인출했을 때 불순물이 그대로 남아 손실이 크게 된다. 또한 PCF의 단면에는 여러 개의 공기 구멍이 있어 실리카 광섬유와 굴절률 차이가 많이 나기 때문에 일반 실리카 광섬유와의 접속이 쉽지 않다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 파라메트릭 광증폭기에 적합한 실리카 기반의 광섬유로 비선형 계수가 크며 유효 면적이 작은 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산 천이 광섬유를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 굽힘에 의한 손실 및 일반 단일 광섬유와의 접속시 발생하는 모드 필드 직경 차에 의한 접속 손실을 감소시킬 수 있는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산 천이 광섬유를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 기존의 분산 천이 광섬유보다 비선형 계수가 크면서 분산 기울기는 작으며 영 분산 파장은 이득 대역 근처에 존재하는 실리카 기반의 광섬유를 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명이 제공하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유는 80 W-1km-1이상의 비선형 계수와 1530 nm ~ 1620 nm의 영분산 파장을 가지도록 하여 상기 기술적 과제를 달성한다.
아울러, 본 발명에 위한 광섬유는 10.5 μm2이하의 유효 면적을 가지도록 하여 상기 기술적 과제를 달성한다.
아울러, 본 발명에 위한 광섬유는 10.5 μm2이하의 유효 면적을 가지도록 하여 상기 기술적 과제를 달성한다.
또한 본 발명이 제공하는 광섬유의 외부 클래드에는 환상영역을 더 포함하여 상기 기술적 과제를 달성한다.
또한, 상기 광섬유에는 비선형을 증가시킬 목적으로 코어와 내부 클래드에 비스무트(Bi) 또는 납(Pb) 또는 이들의 혼합물에 해당하는 중금속이 첨가됨을 그 특징으로 한다.
삭제
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며, 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
파라메트릭 증폭기는 광섬유에서의 비선형 현상 중에서 사 광파 혼합(FWM)을 이용하여 증폭한다. 도 4에 제시된 바와 같이, 광섬유의 분산이 영이 되는 파장에 펌프를 여기(excitation) 시키면 펌프 파장(ωp)을 중심으로 신호(ωs)와 반대편에 또 다른 신호(ωI)가 생기면서 이득이 발생한다.
도 3에는 이러한 파라메트릭 증폭기의 기본 구조를 설명하고 있다. 1557.6 nm의 신호 광원(301)은 편광 조절기(303)를 통하여 펌프 레이저와 같은 편광이 되도록 한다. 1560.9 nm의 여기용 펌프 레이저(302)는 위상 변조기(304)를 지나면서 펄스 폭이 넓어지고 두 개의 어븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier),305)를 사용하여 펌프의 출력을 증폭시킨다. 이렇게 증폭된 펌프 출력은 가변 필터(tunable filter,306)에 의하여 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 잡음이 제거된다. 신호 광원(301)과 여기용 펌프 신호(302)는 광분배기(307)에 의해 하나로 묶여서 증폭 매질인 광섬유(308)를 통과하며 사 광파 혼합 현상(309)에 의해 신호가 증폭이 된다.
이때, 신호의 이득을 크게 하기 위해서는 펌프의 출력이 커야 할 뿐만 아니라 증폭 매질인 광섬유의 비선형성도 커야 하며 영 분산 파장이나 분산 기울기 등 도 적합해야 한다. 분산 특성을 만족시키기 위해 기존에는 분산천이 광섬유를 사용하였으나 비선형 계수가 작아 파라메트릭 증폭기의 성능이 좋지 않았다.
이에 본 발명에서는 파라메트릭 증폭기의 성능을 향상시키기 위하여 여러 가지 설계 변수를 고려하여 다양한 광섬유의 구조에 대한 비선형성 및 분산 특성, 손실 등을 고려하여 파라메트릭 증폭기에 최적인 광섬유의 구조를 제시한다. 파라메트릭 증폭기에 최적인 광섬유는 다음과 같은 특성을 가져야 한다.
1) 높은 비선형 계수: 광섬유의 비선형 계수가 높아야 한다. 비선형 계수(γ)는 아래 수학식 1에 제시된 바와 같이, 파장(λ)과 비선형 굴절률(n2), 유효 면적(Aeff)과 관련이 있는데 임의의 파장에서 비선형 계수를 높이기 위해서는 비선형 굴절률을 높이거나 유효 면적을 줄여야 한다. 기존의 분산천이 광섬유의 비선형 계수는 2 W-1km-1이며 도파로의 측면에서 광섬유를 최적으로 설계할 경우에는 최대 20 W-1km-1 까지 가능한 것으로 알려져 있다.
2) 사용 대역에서의 모드: C-band와 L-band에서 광섬유는 단일 모드를 가져야 한다. 기존의 일반 단일 광섬유의 차단 파장인 1300 nm와 비슷한 차단 파장을 가져야 한다.
3) 이득 대역 근처의 영 분산 파장: 영 분산 파장에 펌프를 여기(excitation) 시켜야 이득이 발생하므로 원하는 이득 대역 근처에 영 분산 파장이 있어야 한다. 본 발명에서는 C-band와 L-band 모두에서 이득 대역을 가지기 위해 그 중심인 1590 nm를 영 분산 파장으로 설정하였다.
4) 분산 기울기: 사 광파 혼합의 비선형 현상이 효과적으로 발생하기 위해서는 분산 기울기가 작아야 한다. 기존의 분산천이 광섬유의 분산 기울기는 0.08 ps/nm2/km이고 분산 기울기는 작으면 작을수록 더 좋다.
5) 낮은 손실: 파라메트릭 증폭기의 이득을 극대화하기 위해서는 광섬유의 손실이 작아야 한다. 산란에 의한 손실이나 굽힘에 의한 손실, 접속 시 모드 필드 직경차에 의한 손실 등 모든 손실을 감안하여 최소가 되도록 해야 한다.
1) ~ 5)의 특성을 만족시키는 광섬유의 구조를 설계하기 위해 다양한 광섬유 구조가 이러한 특성에 미치는 영향을 비교하였다.
코어의 반경에 따른 굴절률 분포에 따른 유효 면적을 비교하기 위해 도 5와 같이 굴절률 분포가 직사각형(501), 타원형(502), 삼각형(503)로 나누어 유효 굴절률과 필드 세기 분포, 유효 면적을 계산하였다. 여기서 클래드(clad)는 실리카 굴절률(n2)과 동일한 매치드(matched) 클래드(504)이다.
도 6은 다양한 코어 구조(직사각형, 타원형, 삼각형)의 파장의 변화에 대한 유효 굴절률의 변화를 보여주는 그래프이며, 도 7은 다양한 코어 구조(직사각형, 타원형, 삼각형)의 반경에 따른 필드 세기의 분포를 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 직사각형 굴절률 분포의 코어(Rectangular core)에서 유효 굴절률(neff)이 가장 높다. 유효 굴절률이 가장 높다함은 비선형 굴절률(n2)이 가장 높음을 의미하며, 아울러 모드가 코어로 진행하면서 느끼는 코어와 클래드 간의 굴절률 차가 크기 때문에 모드가 쉽게 클래드로 퍼지지 않고 코어에 집중이 됨을 의미한다. 따라서 도 7에 제시된 바와 같이, 직사각형 굴절률 분포를 가지는 코어의 필드 세기(Intensity)가 가장 크고 유효 면적이 가장 작다. 그러므로 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 직사각형 굴절률 분포를 가지는 코어를 채택해야 한다.
코어 구조에 대한 유효 면적의 비교는 도 8에 제시되어 있다.
도 8에 의하면, 파장 1550 nm에서 직사각형 코어(rectangular core)의 유효 면적(Aeff)은 15.3 μm2이며, 타원형(graded)일 때는 21.85 μm2, 삼각형(triangular)에서는 43.8 μm2이다. 여기서 코어의 반지름은 1.65 μm이며, 코어와 클래드 간의 상대적인 굴절률 차(Δ=(n1-n2)/n1)는 2 %이다. 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 유효 면적이 작아야 하므로(비선형 계수가 높아야 하므로) 코어의 구조를 직사각형으로 하여야 한다.
코어 구조와 함께 클래드의 구조도 분산 및 유효 면적에 큰 영향을 미친다. 클래드는 도 9a ~ 도 9c에 제시된 바와 같이 실리카 굴절률과 같은 매치드 클래드(matched clad, 도 9a)와 실리카 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 움푹 파인 구조(depressed clad, 도 9b), 실리카 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 이중 클래드(dual clad, 도 9c)로 나눌 수 있다.
코어(901)와 실리카 굴절률(n2)을 가지는 매치드 클래드(904)의 상대적인 굴절률차(Δ1)는 2 %이고 움푹 파인 구조(905)나 이중 클래드(906)와 실리카 굴절률(n2)과의 상대적인 굴절률차(Δ2)는 1.2 %이다. 또한 코어의 반지름은 1.65 μm, 클래드의 반지름은 12 μm 이다.
도 10은 다양한 클래드 구조(매치드, 움푹 파인 구조, 이중 구조)의 파장의 변화에 대한 유효 굴절률의 변화를 보여주는 그래프이며, 도 11은 다양한 클래드 구조(매치드, 움푹 파인 구조, 이중 구조)의 반경에 따른 필드 세기의 분포를 보여주는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 매치드 클래드보다 움푹 파인 구조의 클래드(Depressed clad)의 굴절률이 낮기 때문에 유효 굴절률(neff) 또한 낮으며 이중 클래드(Dual clad)는 클래드의 굴절률이 실리카 굴절률보다 높아 유효 굴절률이 높다. 그러나 코어로 진행하면서 모드가 느끼는 클래드와의 유효 굴절률 차이는 움푹 파인 클래드 구조에서 가장 크고 이중 클래드 구조에서 가장 작다. 따라서 움푹 파인 클래드 구조에서 모드가 코어로 집중되는 정도가 가장 효과적이다.
도 12는 다양한 클래드 구조(매치드, 움푹 파인 구조, 이중 구조)의 파장의 변화에 대한 유효 면적의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 움푹 파인 클래드에서 유효 면적이 가장 작으며 이중 클 래드에서 가장 크다. 파장 1550 nm에서 매치드 클래드의 유효 면적은 15.3 μm2, 움푹 파인 클래드는 10.2 μm2, 이중 클래드의 경우는 46.33 μm2이다. 그러므로, 본 발명이 제시하는 광섬유의 클래드는 움푹 파인 클래드(depressed clad)를 채용한다.
도 13은 다양한 클래드 구조(매치드, 움푹 파인 구조, 이중 구조)의 파장의 변화에 대한 광섬유의 분산의 변화를 보여주는 그래프로서 코어가 직사각형 구조인 경우이다.
도 13을 참조하면, 매치드 클래드에 비해 움푹 파인 클래드에서는 분산(dispersion)의 절대값이 전체적으로 작아졌으며 기울기도 완만하다(즉, 분산의 변화율이 작다). 이에 비해 이중 클래드는 분산의 기울기가 매우 크다. 따라서 움푹 파인 클래드의 굴절률과 반경을 조절하여 영 분산 파장이 1590 nm가 되도록 하였다. 이렇게 직사각형 코어와 움푹 파인 클래드로 구성된 광섬유 구조의 비선형 계수는 식 상기 수학식 1을 이용하여 계산하면 18 W-1km-1로 기존의 분산천이 광섬유의 비선형 계수보다 약 9배 커진 값이다. 그러나 비선형 계수를 20 W-1km-1보다 더 높게 하기 위해서는 소정의 조치가 필요한데 본 발명에서는 코어와 클래드의 일부분에 비선형 굴절률이 큰 물질을 첨가하였다. 세기가 I인 빛이 비선형 매체를 지나갈 때 굴절률(n)은 하기 수학식 2로부터 구할 수 있다. 여기서 n0는 선형 굴절률, n2는 비선형 굴절률을 나타낸다. 또한 n2는 수학식 3과 같이 3차 감수율(φ1111
)로 변 환이 가능하다.
도 14는 코어에 첨가하는 다양한 중금속의 농도에 따른 감수율(φ1111)의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 감수율은 중금속의 농도와 비례하므로 중금속의 농도가 클수록 비선형 굴절률(n2)이 높아진다. 본 발명에서는 광섬유의 비선형 굴절률을 높이기 위해 코어와 클래드 일부분에 중금속의 일종인 납(lead) 또는 비스무트(bismuth) 또는 이들의 혼합물을 첨가하였다.
도 15는 두 광섬유의 상대적인 필드 크기에 따른 접속 손실을 나타내는 그래프이다.
도 15를 참조하면, 코어의 크기가 일반 단일모드 광섬유보다 매우 작으므로 두 광섬유간의 접속 손실은 크다. 두 광섬유간의 모드 필드의 직경차로 인한 접속 손실은 단일 모드 광섬유의 코어 크기를 tapering이나 모드 변환기(mode converter)로 두 광섬유의 모드 필드 직경을 비슷하게 함으로써 줄일 수 있다. 또한 클래드가 움푹 파인 구조는 굽힘에 의한 굴절률 변화로 모드가 쉽게 클래드로 빠져나가므로 굽힘에 의한 손실이 크게 발생할 수 있다. 이에 본 발명에서는 외부 클래드에 환상 영역(ring)을 추가함으로써 굽힘에 의한 굴절률 변화로 클래드로 쉽게 빠져나가는 모드를 줄이도록 하였다.
도 16은 본 발명에서 제시하는 분산천이 광섬유의 구조도로서 위에서 언급된 파라메트릭 광증폭기에 필요한 광섬유의 특성을 모두 고려한 광섬유의 구조이다.
코어(1601)는 반경이 1.65 μm이고 외부 클래드(1604)와의 상대적인 굴절률 차(Δ1=(n1-n4)/n1)는 2 %이며 비스무트, 납 또는 이들의 혼합물인 중금속(1602)이 첨가되어 있다.
일반적으로 광섬유를 제작하기 위해서는 변형 화학 증착 공법(Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD)으로 광섬유의 모재를 제작해야 한다. MCVD는 석영관(quartz glass) 내에 도펀트(dopant)를 포함한 원료 가스를 산소와 함께 보내어 석영관의 외측을 가열하고 내측에 유리막을 퇴적(deposition)시킨 후, 중실화(collapse)하여 모재를 제조하는 공법이다.
이 때, 석영관 내측에 원료 가스를 증착시키는 데는 한계가 있다. 왜냐하면 석영관 안으로 보내는 가스가 너무 많은 경우에는 석영관 내측에 잘 퇴적되지 않을 뿐만 아니라, 중실화가 되지 않아 모재를 만들지 못하기 때문이다. 또한 코어의 굴절률을 높이기 위해 사용하는 원료 가스는 게르마늄(germanium)으로 MCVD로 실현할 수 있는 최대 굴절률 차는 2%이다. 따라서 코어(1601)와 외부 클래드(1604)와의 상대적인 굴절률 차(Δ1)는 2% 이하로 함이 바람직하다.
내부 클래드(1603)는 움푹 파인(depressed) 구조로 코어(1601) 가까이에 중금속(1602)이 첨가되어 있으며 반경은 12 μm, 외부 클래드(1604)와의 상대적인 굴절률 차(Δ2=(n4-n2)/n4)는 1.2 %이다. 내부 클래드(1603)처럼 굴절률을 낮추기 위해 탄소 불화물(carbon tetrafluoride, CF4)이나 규소불화물(silicon fluoride, SiF)을 사용하며, 이러한 원료 가스를 이용하여 실현되는 내부 클래드(1603)와의 최대 굴절률 차는 1.5%이다. 따라서 내부 클래드(1603)와 외부 클래드(1604)와의 상대적인 굴절률 차(Δ2)는 1.5% 이하로 함이 바람직하다.
외부 클래드(1604)에는 또한 두께(d-c)가 3 μm이며, 외부 클래드(1604)와의 상대적인 귤절률 차(Δ3=(n3-n4)/n3)가 0.07%인 환상 영역(링, 1605)이 추가되어 있다. 링의 역할은 분산 및 유효 면적에 영향을 미치지 않으면서 굽힘에 의한 손실을 줄이는 데에 있다. 따라서, 본 발명에서 제공하는 광섬유는 분산 및 유효 면적에 영향을 미치지 않도록 링(1605)의 두께와 외부 클래드(1604)와의 상대적인 귤절률 차(Δ3)를 고려하여 설계되었다. 이 때, 환상 영역(1605)의 두께(d-c)는 코어(1601)의 두께(a)의 0.3배 내지 0.8배, 내부 클래드(1602)의 두께(b-a)는 코어(1601)의 두께의 6배 내지 7배로 함이 바람직하다.
도 17은 본 발명에서 제시하는 분산천이 광섬유의 분산 및 유효 면적을 나타내는 그래프이다.
영 분산 파장은 1590 nm이며, 1550 nm의 파장에서 분산은 0.48 ps/nm/km, 분 산 기울기는 0.014 ps/nm2/km, 유효 면적은 10.18 μm2, 차단 파장은 1300 nm이다. 이렇게 설계된 구조의 비선형 계수는 수학식 1을 이용하여 계산된다. 이 때, 납이 39 cation % 첨가된 경우의 비선형 굴절률은 22*10-20 m2/W(M. A. Newhouse, et. al,"Enhanced-nonlinearity single-mode lead silicate optical fiber", Opt. Lett., 15(21), 1185-1187(1990))이며, 78 wt%의 비스무트를 첨가한 경우는 비선형 굴절률이 3.2*10-19 m2/W이다(K. Kikuchi, et. al, "Highly-nonlinear Bismuth Oxide-based glass fibers for all-optical signal processing", OFC, ThY6, (2002)). 그 결과 비선형 계수는 88 W-1km-1와 127 W-1km-1
로 기존의 분산천이 광섬유에 비해 약 44~63배 증가된 수치이다.
결국, 본 발명이 제공하는 파라메트릭 증폭기에 적합한 높은 비선형 계수를 가지는 분산천이 광섬유의 구조는 반지름이 매우 작으면서 굴절률이 높은 직사각형 모양의 굴절률 분포를 가지는(코어의 반경과 무관하게 굴절률이 일정한) 코어와 움푹 파인 클래드, 링이 있는 외부 클래드로 구성되어 있으며 코어와 내부 클래드 일부분에 중금속이 첨가되어 있다.
또한 유효 면적을 줄이고 적합한 분산 특성을 가지기 위해 본 발명에서는 코어와 클래드의 구조를 최적화하였으며 비선형 굴절률을 높이기 위해 코어와 클래드의 일부분에 납이나 비스무트와 같은 중금속을 첨가하였다.
또한 코어의 반경이 작아 일반 실리카 광섬유와의 접속 시에 발생하는 손실 과 움푹 파인 클래드 구조로 인하여 발생하는 굽힘에 의한 손실을 줄이는 광섬유를 제공한다.
이제까지 제시한 광섬유의 고이득을 보장하기 위한 여러 요소의 특성(값)들은 이론적인 값이었다. 그러나, 광섬유 제조 공정상의 여러 어려움 및 경제성 등의 측면을 고려하면 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 광섬유의 실현을 위한 가져야 할 바람직한 특성을 제시해 본다.
위에서 본 바와 같이 고이득의 파라메트릭 광증폭기를 위한 광섬유를 제조하기 위해서는 광섬유가 높은 비선형 계수를 가져야 하며 그러기 위해서는 유효 면적을 줄여야 함을 보았다. 그러나 유효 면적을 줄이는 데에는 한계가 있다. 유효 면적을 줄이기 위해서는 코어와 외부 클래드의 상대적인 굴절률 차가 커야하고, 코어의 반경이 작음이 요구되는데 광섬유 모재를 만드는 공정 과정상 굴절률을 높이는 데에는 한계가 있기 때문이다.
또한, 코어의 반경을 작게 할수록 실제 제작된 광섬유의 반경 오차가 커져서 의도된 구조대로 실현할 수 없게 된다. 아울러, 작은 반경의 코어에서는 오히려 빛이 광섬유의 코어로 진행하지 못하고 클래드로 빠져 나가버리는 특성이 있다. 따라서, 제조 가능한 유효 면적의 범위는 광섬유 제작 과정의 관행상 10 μm2이상임이 요구된다. 그러나 유효 면적을 지나치게 크게 하면 비선형 계수가 낮아지는 단점이 있고, 본 발명이 제공하는 광섬유는 위에서 본 바와 같이 유효 면적이 10.18 μm2이므로 오차 범위 3%를 감안하여 유효 면적을 10.5 μm2이하로 함이 바람직하다.
유효 면적의 또 다른 측면을 고려하면, 그 면적을 줄이기 위해서는 코어의 반경을 줄이거나 굴절률을 높여야 하는데, 이 작업들은 어려운 공정을 요하고 여러 가지 광섬유의 특성에 따른 오차가 많이 발생하므로 유효 면적을 약간 넓히는 대신에 코어에 첨가하는 중금속의 농도를 증가시켜 비선형 계수를 높일 수 있는 대안을 제시할 수 있다. 따라서 본 발명이 제공하는 또 다른 광섬유는 그 유효 면적을 10 μm2 이상으로 하되 80 W-1km-1이상의 비선형 계수를 유지하기 위해 30 μm2 이하로 함이 바람직하다.
또한, 위에서 본 바와 같이 파라메트릭 증폭기의 고이득을 위해서는 비선형 계수가 커야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 광섬유 코어에 중금속을 첨가하였음을 위에서 보았다.
그러나, 첨가하는 중금속의 농도가 크면 석영관 내부에 퇴적이 되지 않아 광섬유늬 모재를 만들기 곤란하므로 중금속 첨가의 방법으로 비선형 계수를 높이는 데에는 한계가 있다. 위에서 계산된 비선형 계수(88 W-1km-1)를 갖는 광섬유는 대체적으로 ±9%의 비선형 계수 오차를 가질 수 있는데, 본 오차를 고려하여 본 발명이 제공하는 광섬유의 비선형 계수는 80 W-1km-1이상으로 함이 바람직하다.
아울러 파라메트릭 증폭기의 적절한 이득 대역을 선택하기 위해서는 영 분산 파장이 매우 중요한 요소로 작용한다.
C/L band를 포함한 1490 nm 내지 1690 nm 사이의 200 nm의 파장 대역을 이득 대역으로 하기 위해서는 그 중심 파장인 1590 nm에 영 분산 파장이 있어야 하지만, 이득 대역을 어디로 선택하느냐에 따라 영 분산 파장이 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기한 높은 비선형 계수를 유지하기 위해 1590 ± 10 nm의 영 분산 파장을 가짐이 바람직하다.
그러나, 위에서 언급한 바와 같이 중금속의 농도를 증가시켜 비선형 계수를 높이는 데에도 광섬유 제조 공정 과정상의 한계가 있으므로 30 μm2 이상의 유효 면적에서는 80 W-1km-1이상의 높은 비선형 계수를 기대할 수 없다. 또한 이득 대역을 단파장이나 장파장 일부로 한정할 경우에는 영 분산 파장이 1590 ± 10 nm일 필요가 없다. 따라서 더 넓은 파장을 이득 대역으로 고려할 때 넓은 범위의 영 분산 파장이 필요하다. 그러므로, 유효 면적이 10 μm2 내지 30 μm2인 경우에는 영 분산 파장을 광통신에서 사용되는 일반적인 파장 영역인 1530 nm 내지 1620 nm으로 함이 바람직하다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명이 제안하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유는 이득 대역 근처의 영 분산 파장이 존재하고, 낮은 분산 기울기 및 높은 비선형성을 가지며, 산란이나 굽힘에 의한 손실, 일반 실리카 광섬유와의 접속 시에 모드 필드 직경차에 의한 손실 등 모든 손실을 고려하므로 파라메트릭 광증폭기의 비약적인 성능 향상을 꾀할 수 있다.
Claims (11)
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- 코어, 내부 클래드, 외부 클래드를 포함하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유에 있어서,비선형 계수가 80 W-1km-1 이상이고, 영분산 파장은 1530 nm ~ 1620 nm 이고, 상기 광섬유는 유효 면적이 10.5 μm2 이하이며, 상기 코어의 굴절률은 상기 코어의 반경에 무관하게 일정하고 상기 코어에는 비스무트(Bi) 또는 납(Pb) 또는 상기 비스무트와 납의 혼합물이 첨가되는 것을 특징으로 하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유.
- 제 4 항에 있어서,상기 코어에 첨가되는 납의 농도는 35 cation % 이상 인 것을 특징으로 하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유.
- 제 4 항에 있어서,상기 코어에 첨가되는 비스무트의 농도는 80 cation % 이상 인 것을 특징으로 하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유.
- 코어, 내부 클래드, 외부 클래드를 포함하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유에 있어서,비선형 계수가 80 W-1km-1 이상이고, 영분산 파장은 1530 nm ~ 1620 nm 이고, 상기 광섬유는 유효 면적이 10.5 μm2 이하이며, 상기 코어의 굴절률은 상기 코어의 반경에 무관하게 일정하고, 상기 내부 클래드에는 상기 비스무트(Bi) 또는 납(Pb) 또는 상기 비스무트와 납의 혼합물이 첨가되는 것을 특징으로 하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유.
- 제 7 항에 있어서,상기 내부 클래드에 첨가되는 물질의 농도는 상기 코어에 첨가된 물질의 농도 이하인 것을 특징으로 하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유.
- 코어, 내부 클래드, 외부 클래드를 포함하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유에 있어서,비선형 계수가 80 W-1km-1 이상이고, 영분산 파장은 1530 nm ~ 1620 nm 이고, 상기 광섬유는 유효 면적이 10.5 μm2 이하이며, 상기 외부 클래드에는 환상영역(ring)이 더 추가되는 것을 특징으로 하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유.
- 제 9 항에 있어서,상기 코어와 상기 외부 클래드의 상대적 굴절률 차는 2 %이하이고, 상기 내부 클래드와 상기 외부 클래드의 상대적 굴절률 차는 1.5 %이하이며, 상기 내부 클래드의 굴절률과 상기 외부 클래드의 상대적인 굴절률 차는 상기 환상 영역의 굴절률과 상기 외부 클래드의 상대적인 굴절률 차 이상인 것을 특징으로 하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유.
- 제 9 항에 있어서,상기 환상 영역의 두께는 상기 코어의 두께의 0.3배 내지 0.8배이며, 상기 내부 클래드의 두께는 상기 코어의 두께의 6배 내지 7배인 것을 특징으로 하는 파라메트릭 광증폭기를 위한 분산천이 광섬유.
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