KR100633904B1 - 저감쇠를 갖는 단일 모드 광도파관 섬유 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 최소의 감쇠를 제공하기 위해 프로파일 변수들이 선택되는 코어 굴절률 프로파일을 갖는 단일 모드 광도파관 섬유에 관한 것이다. 동일한 일반적인 형태 및 크기를 갖는 한 세트의 프로파일이 상기 세트의 나머지 부재들과 비교하여 최소의 감쇠를 나타내는 서브 세트로 함유된 일군의 프로파일을 갖는 것을 알 수 있다. 상기 서브 세트의 부재들이 도파관 섬유의 벤딩하에서 가장 낮은 유효군 굴절률, ngeff 및 가장 낮은 β 2의 변화를 갖는 것을 알 수 있다.
Description
본 출원은 본 출원인에 의해 1997년 9월 12일자로 출원된 미합중국 특허 가출원 번호 제 60/058,774호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 저감쇠(low attenuation)를 위해 최적화된 광도파관 섬유에 관한 것이다. 특히, 도파관 섬유의 감쇠는 모든 코어 굴절률 프로파일(core refractive index profile)에 있어서 가변하는 코어 굴절률 프로파일의 적절한 선택에 의해 최소화된다.
굴절률 프로파일의 형태(configuration)에 대한 도파관 특성(waveguide property)의 의존성이 Bhagavatula에 의한 첨단산업 특허(pioneering patent)인 미합중국 특허 제 4,715,679호에 설명되어 있다. 상기 특허에는, 다양한 도파관 섬유 특성을 제공하는 코어 굴절률 프로파일이 기재되어 있는데, 특히 상기 특성들은 1550nm의 작업창(operating window)으로 전이된 제로 분산 파장(zero dispersion wavelength)을 가지며 1250 내지 1600nm와 같이 연장된 파장 범위에 걸쳐서 비교적 일정한 분산을 갖는다.
특히 고성능 도파관과 관련하여, 특수화된 도파관 섬유의 수요에 대한 응답으로, 도파관 코어 굴절률 프로파일의 연구가 더욱 강조되고 있다. 예를 들어, Gallagher et al.의 미합중국 특허 제 5,483,612호(이하, '612특허라 함)에는, 저분극화 모드 분산(low polarization mode dispersion), 저감쇠, 전이된 분산 제로(a shifted dispersion zero), 및 저분산 기울기를 제공하는 코어 프로파일의 설계가 개시되어 있다. 다른 코어 굴절률 프로파일들은 더 높은 세기의 신호(signal) 또는 광학 증폭기(optical amplifier)의 사용을 포함하는 응용분야의 요구조건에 만족하도록 설계되어 왔다.
바람직한 특성에 도달되도록 코어 프로파일을 변경시킬 때 발생되는 문제점은 상기 특성이 또 다른 필수적인 특성의 손실을 나타낸다는 것이다. 예를 들어, 어떤 코어 굴절률 프로파일 설계는 유효면적(effective area)을 증가시켜, 상기 신호의 비선형 왜곡(non-linear distortion)을 감소시킬 것이다. 그러나, 이러한 큰 유효면적의 도파관 섬유에서는, 벤드 저항(bend resistance)이 심하게 손상될 수 있다. 따라서, 통상적으로 모델 연구(model study)가 제품 개발의 생산 단계보다 선행되는 코어 프로파일 설계는 까다로운 작업이다.
프로파일의 상호작용(interaction)은 매우 통상적인 방법을 제외하고는 당업자가 벤드 저항, 감쇠, 제로 분산 파장, 및 전체 분산과 같은 도파관 특성 및 선택된 파장 범위에 대한 전체 분산 기울기에 대해 굴절률 프로파일의 변화의 영향을 통상적으로 예견할 수 없도록 가변한다. 따라서, 도파관 굴절률 프로파일의 연구는 통상적으로 특정 프로파일(particular profile) 또는 일족의 프로파일(a family of profiles)의 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation)을 포함한다. 그리고나서, 바람직한 특성들을 나타내는 상기 굴절률 프로파일들에 있어서 생산 실험이 실시된다.
'612특허에 기재된 연구에 이어, 미리-선택된 대역(band)의 파장 및 우수한 벤드 저항에 있어서 제로 분산 파장을 갖는 고성능 섬유를 생산하는 일족의 프로파일이 발견되었다. 이 연구의 설명은 미합중국 특허 가출원 제 60/050,550으로 최근 출원되었다.
그 이상의 모델 연구 및 생산 실험이 완결됨에 따라, 하기 사항들이 명백해졌다:
-선택된 세트(set)의 작업 변수들을 제공하기 위해 특정족의 프로파일들이 발견되었고; 가장 놀랍게도,
-상기 특정족의 프로파일들이 작업 변수들을 실질적으로 변화시키지 않고 감쇠를 최적화시키도록 더욱 조절될 수 있다.
정의
-코어 영역의 반경은 굴절률에 관하여 정의된다. 특정 영역은 첫 번째 및 마지막의 굴절률점(refractive index point)을 갖는다. 도파관 중심선으로부터 상기 첫 번째 굴절률 지점의 위치까지의 반경은 코어 영역 또는 시그먼트(segment)의 내부 반경이다. 이와 같이, 도파관 중심선으로부터 상기 마지막 굴절률 지점의 위치까지의 반경은 상기 코어 시그먼트의 외부 반경이다. 코어 구조(core geometry)의 다른 정의들은 편리하도록 사용될 것이다.
본 명세서에서 특별히 언급하지 않는한, 이후로 사용되는 굴절률 프로파일의 변수들은 다음과 같이 정의된다.
*중심 코어 영역의 반경은 도파관의 축중심선으로부터 외삽된 중심 굴절률 프로파일의 x축과의 교차점까지를 측정한 값이고;
*제 2의 환상 영역(the second annular region)의 반경은 도파관의 축중심선으로부터 제 2 환형(the second annulus)의 기준선의 중심까지를 측정한 값이며;
*제 2의 환상 영역의 폭은 굴절률 프로파일의 절반의 굴절률 지점으로부터 도파관 반경까지 그려진 평행선들 사이의 거리이다.
제 1의 환상 영역의 크기는 중심 영역 및 제 2의 환상 영역의 크기 사이의 차이에 의해 결정된다.
-코어 굴절률 프로파일이란 광도파관 섬유의 선택된 반경 또는 반경 시그먼트를 따라 각 지점에서 한정된 굴절률 크기(magnitude)를 설명하는 용어이다.
-혼성의 코어 굴절률 프로파일은 적어도 두 개의 다른 시그먼트들이 분리되도록 하나의 프로파일을 설명한다.
-상대굴절률 퍼센트(relative index percent,Δ%)는 Δ%=[(nㅣ 2-nc 2)/2nl. 2]×100이고, 여기서 n1은 코어 굴절률이고, nc는 최소 클래드 굴절률이다. 다른 언급이 없으면, n1은 Δ%에 의해 특징지어진 코어 영역내에서의 최대 굴절률이다.
-용어 알파 프로파일(alpha profile)이란 n(r)=n0(1-Δ[r/a] α )의 방정식을 따르는 굴절률 프로파일을 말하며, 여기서 r은 반경이고, Δ는 전술한 바와 같으며, a는 프로파일내의 마지막 지점이고, r은 프로파일내의 첫 번째 지점에서 0이도록 선택되며, I는 실수이다. 예를 들어, 삼각형의 프로파일은 α=1을 가지며, 포물선형 프로파일은 α=2를 갖는다. α가 약 6보다 클 때, 상기 프로파일은 필수적으로 계단형(step)이다. 다른 굴절률 프로파일들은 계단형 굴절률, 사다리꼴형 굴절률, 및 둥근 계단형 굴절률을 포함하며, 여기서 둥근 모양은 빠르게 변하는 굴절률 영역에서 도펀트 확산(dopant diffusion) 때문이다.
-프로파일 부피(profile volume)는 2(Δ%rdr)로서 정의된다. 내부 프로파일 부피는 도파관 중심선, r=0에서부터 분기반경(crossover radius)까지 연장된다. 외부 프로파일 부피는 분기반경에서 코어의 마지막 지점까지 연장된다. 프로파일 부피의 단위는 %㎛2이며, 이것은 굴절률이 크기가 없기 때문이다. 혼동을 피하기 위해, 프로파일 부피는 숫자뒤에 단어 "유니트(unit)"를 표기할 것이다.
-분기 반경은 신호의 파장이 변할 때 신호의 세기 분포(power distribution)의 의존성으로부터 발견된다. 내부 부피에 있어서, 신호 세기는 파장이 증가함에 따라 감소된다. 외부 부피에 있어서, 신호세기는 파장이 증가함에 따라 증가된다.
-도파관 섬유의 벤드 저항은 전술된 실험 조건하에서 발생된 감쇠로서 표현된다. 여기서 참고하는 벤드테스트(bend test)는 도파관 섬유가 벤딩하는데 따른 상대저항을 비교하기 위해 사용되는 핀 어레이 벤드테스트(pin array bend test)이다. 이러한 테스트를 수행하기 위해, 감쇠 손실(attenuation loss)은 필수적으로 벤딩손실(bending loss)이 발생되지 않는 도파관 섬유에 있어서 측정된다. 그리고나서, 도파관 섬유는 재측정된 핀 어레이 및 감쇠에 대하여 짜여진다. 벤딩에 의해 발생된 손실은 두 개의 측정된 감쇠들 사이의 차이다. 핀 어레이는 한줄로 배열된 열 개의 실린더형 핀들의 한 세트이고, 평평한 표면상에 고정된 세로위치에서 고정된다. 상기 핀의 간격은 중심 대 중심으로 하여 5mm이다. 핀의 직경은 0.67mm이다. 테스트동안, 충분한 인장이 적용되어 핀 표면의 한 부분과 같은 성질이 되도록 도파관 섬유가 제조된다.
모델 계산에 사용되는 벤드테스트는 30mm 직경의 맨드릴(mandrel) 주위로 도파관 섬유의 단일 회전(single turn)이었다.
-유효군 굴절률(effective group refractive index, ngeff)은 빛의 속도와 상기 군(group)의 속도의 비이다. 전자기장, 굴절률, 파장, 및 전파 상수에 관하여 ngeff의 수학적 표현은 멕스웰 방정식(Maxwell's equation) 또는, 더욱 상세하게는 스칼라 웨이브 방정식(scalar wave equation)으로부터 유도된다.
-또한 유효 굴절률이라고도 불리는 전파 상수(propagation constant) β는 필드 전파 속도에 관계된 전자기장 변수이고, 선택된 도파관에 있어서 스칼라 웨이브 방정식을 풀어서 얻어진다. β가 도파관의 형태에 의존하기 때문에, 도파관을 벤딩시키면 β가 변할 것으로 예상된다. 특정 도파관 구조에 의해 지지되는 전자기장의 기술적인 스칼라 웨이브 방정식의 일실시예는 J.P. Meunier et al.의 "Optical and Quantum Electronics", (15, 1983년, 77∼85페이지)에서 찾을 수 있다.
따라서, 본 발명은 미리 선택된 세트의 작업 특성(operating property)들을 생산하고 감쇠가 특정 굴절률 프로파일에 있어서 최적화된 코어 굴절률 프로파일을 갖는 광도파관 섬유에 관한 것이다.
신규한 코어 굴절률 프로파일은 함께 도파관 섬유를 제조하는 코어 영역 및 이를 감싸는 클래드층(clad layer)을 갖는다. 섬유내에서 빛을 제한하기 위해, 코어 굴절률 프로파일의 적어도 일부분은 클래드 층의 적어도 일부분보다 더 높은 굴절률을 가져야 한다. 통상적으로, 클래드 층의 굴절률 프로파일은 변형된 클래드 굴절률을 갖는 유용한 설계가 제조될지라도 단일 계단형(single step)이다.
전술된 코어 굴절률 프로파일은 도파관 반경의 명시부분을 따라 각 지점에서 한정된 굴절률 값이다. 따라서, 코어 굴절률 프로파일은 도파관의 중심 즉 0에서 시작하여 반경 r0까지 연장된 반경을 따라 지점들에서 굴절률 값 n(r)로서 표현될 수 있다. 이러한 코어 굴절률은 미리 선택된 세트의 도파관 섬유 작업 특성들을 생산하기 위해 설계된다. 상기 작업 특성들은 각각 이러한 도파관 작업 특성들을 생산하는 일족 또는 한 세트의 코어 굴절률 프로파일이 존재하도록 오차 허용도 한계(tolerance)를 가질 것이다. 심지어 작업 특성들의 각각이 단일 값을 갖는 모델의 경우에도, 상기 특성들을 제공하는 한 세트 또는 일족의 굴절률 프로파일이 발견될 수 있다.
미리 선택된 도파관의 작업 변수들을 제공하는 상기 세트의 코어 굴절률 프로파일은 허용가능한 굴절률의 모든 방사점(radial point) r에서의 굴절률의 변동값, δn(r), 및 전체 반경의 변동량, δr0를 나타냄으로써 명시될 것이다.
상기 족 또는 세트의 허용가능한 굴절률 프로파일의 모델링 연구를 통해, 상기 세트의 다른 부재(member)들보다 낮은 감쇠를 갖는 프로파일의 서브세트(subset)이 발견되어 왔다. 이러한 가장 바람직한 서브세트를 구별짓는 도파관 특성들은 유효군 굴절률, ngeff 및 전파상수 β이다. 특히, 가장 낮은 감쇠의 굴절률 프로파일의 가장 바람직한 서브세트는 상기 도파관이 휠(bend) 때 상기 세트의 다른 부재들의 가장 낮은 ngeff를 가지며, 전파상수의 제곱 β 2의 가장 작은 변화를 나타낸다. 어떤 다수의 벤딩 모델(bending model)들은 벤딩 유도 β 2 변화를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 여기서 설명된 경우에 사용되는 벤딩 모델은 도파관이 30mm 직경의 맨드릴 주위로 1회 회전시킨 것이다.
가장 낮은 감쇠의 굴절률 프로파일족 또는 세트는 계단형 굴절률 단일 모드 도파관 섬유, 사다리꼴 형태의 굴절률, 둥근 계단형 굴절률, 및 이들의 조합으로 이루어진 혼합 굴절률 프로파일에 있어서 발견되었다. 따라서, 필수적으로 모든 족 또는 세트의 프로파일들은 가장 낮은 감쇠를 나타내며 상기 세트 또는 족의 프로파일의 다른 부재들과 비교하여 벤딩시에 가장 낮은 n geff 및 가장 낮은 β 2의 변화에 의해 특징지어지는 부재들을 갖는다.
따라서, 상기 코어 굴절률 프로파일은 양(positive) 또는 음(negative)의 상대굴절률 차 Δ를 갖는다. 상기 굴절률 프로파일은 계단형, 사다리꼴형, 둥근 계단형, 또는 α-프로파일 형태의 영역중 하나만을 가지며, 여기서 α는 모든 실수값임을 가정한다. 또한, 상기 코어 굴절률 프로파일은 코어 영역의 한정된 시그먼트들인 둘 또는 그 이상의 영역에서 이러한 형태의 조합 또는 변형일 수 있다.
신규한 코어 굴절률 프로파일의 특정 혼합 코어의 구체예는 N 시그먼트들이 정의된 것들 중 하나이다. 각 시그먼트는 하나의 Δ%값 및 하나의 형태를 갖는다. 상기 시그먼트들의 다양한 폭 및 반경(전술한 정의 부분 참조)은 혼합 코어의 완전한 구조가 명시될 때까지 정의된다. 예를 들어 각 시그먼트의 도파관 중심에서 특정 코어 굴절률 시그먼트의 최외곽 지점까지 측정된 외부 반경이 명시될 것이다. 일반적으로, 단일 모드 도파관 섬유에 있어서, 상대굴절률 Δ%는 0 내지 3.5%의 범위에 있고, 최외곽 시그먼트의 외부 반경은 1㎛ 내지 30㎛의 범위에 있다. 작업 파장의 바람직한 대역은 1200nm 내지 1750nm이며, 이것은 1300nm 내지 1550nm 부근의 작업창을 포함한다.
본 발명의 구체예는 세 개의 시그먼트를 갖는 혼합 코어를 포함한다. 이러한 구체예는 하기 상세한 설명에서 설명된다. 도파관 섬유 구조 및 특성을 계산하기 위해 사용되는 모델은 중심선상에 굴절률 딥(dip)을 설명하는데 적합하다. 중심선으로부터 어떤 도펀트의 고갈(dopant depletion)이 있는 경우에, Δ 1%의 하한은 약 15%정도 감소된다. 도펀트 보상(dopant compensate)이 중심선의 고갈을 제거하도록 실시될 수 있을지라도, 고갈을 보상하기 위한 다른 프로파일 변수들을 조절하기에 효과적인 시간 및 비용이 더욱 든다. 전술된 정의에 이어, r3는 세 번째 시그먼트를 기준으로 중심까지 그려진 반경이며, w3는 세 번째 시그먼트의 절반의 상대굴절률 지점에서의 폭이다.
세 개의 시그먼트를 갖는 코어 굴절률 프로파일의 바람직한 구체예는 하기 표 1에 주어져 있다. 하기 표 1에 기재된 도파관 변수들은 하기 표 2에 진술될 도파관 섬유 특성을 제공한다.
제 2의 바람직한 구체예는 하기 표 3에 주어진다. 또한 하기 표 3에 개시된 바와 같은 변수들을 갖는 도파관 섬유도 또한 하기 표 2의 도파관 섬유 특성을 일으킨다.
광도파관 섬유 코어 굴절률 프로파일의 최근의 연구는 유일하고 유익한 도파관의 특성들을 제공하는 다수의 코어 프로파일의 설명을 초래하였다. 예를 들어, Bhagavatula의 미합중국 특허 제 4,715,679호 및 Gallagher의 미합중국 특허 제 5,483,612호를 들 수 있는데, 특정 섬유 응용에 적합한 전체 분산, 제로 분산 파장, 및 전체 분산 기울기를 제공하기 위해 조절되어지는 코어 굴절률 프로파일이 기재되어 있다. 다양한 세트들의 굴절률 프로파일을 갖는 부가적인 연구와 결합된 이러한 연구들은 매우 높은 수행 시스템을 위한 도파관 섬유를 설계하는 것이 가능하다는 것을 보여준다. 예를 들어, 높은 세기의 레이저 및 광증폭기를 사용하여 고속으로 정보를 전송할 수 있는 전기통신시스템을 수행할 수 있는 도파관 섬유가 개발되었다.
신규한 코어 굴절률 프로파일을 연구하는 작업은 일반적으로 요구되는 한 세트의 도파관 기능의 특성들이 어떤 하나 또는 그 이상의 세트의 프로파일 유형에 의해 제공될 수 있음을 발견하게 되었다. 프로파일이 생산 공정에 사용되도록 하는 결정은 도파관 생산의 일반적인 변화에 대해 생산의 용이성, 저비용, 및 도파관 기능의 둔감성에 의해 유도되었다.
더욱 최근의 연구는 부가적인 인자들이 프로파일이 예정된 사용, 및 저비용, 고효율 생산에 적합하다고 평가되는 것이 포함되어야 함을 볼 수 있다. 특히, 이러한 최신 연구는 그들이 상기 프로파일 세트 또는 족들의 다른 부재들과 비교하여 최소의 감쇠를 제공한다는 유일한 서브-세트 또는 서브-족들을 나타내도록 제공하였다.
상기 족 및 저감쇠 서브-족 모두에서 코어 굴절률 프로파일을 갖는 제조된 도파관에 대한 실험은 감쇠차가 생산 가변성, 레일리 산란(Rayleigh scattering) 또는 -OH 함량 때문이 아니라는 것을 보여준다. 프로파일 세트 및 이에 관계된 프로파일 서브-세트 사이의 감쇠 차는 프로파일 형태의 세부사항으로부터 발생하여 "프로파일 감쇠"라고 칭한다.
여기 기재되고 설명된 코어 굴절률 프로파일의 신규한 특성은 그들이 그들의 각각의 최소 프로파일 감쇠의 서브-세트의 부재라는 것이다.
제조된 도파관 섬유들에 대한 변수 모델링 연구 및 실험은 프로파일 감쇠가 유효군 굴절률 ngeff 및 전파상수 β로 보정된다는 사실을 보여주었다. 더욱 상세하게는, 상기 연구는 최소의 프로파일 감쇠 도파관 섬유가 도파관의 벤딩시에 최소의 ngeff 및 최소의 β 2변화를 갖는다는 것을 보여주었다. 이러한 예상치 못한 결과는 필수적으로 모든 유형의 전기통신 사용에 있어서 최적의 코어 굴절률 프로파일을 설계하는데 또 다른 중요한 도구를 제공한다.
본 발명의 일반적인 유형의 코어 굴절률 프로파일은 도 1에 도시되어 있다. 상대굴절률을 위한 기준은 클래드층 굴절률임을 명시한다. 실선으로 표시된 굴절률 프로파일은 비교적 낮은 상대굴절률 퍼센트, Δ%의 중심점(24)을 갖는다. 예를 들어, 더 높은 Δ%의 프로파일 부분(6)은 α-프로파일 또는 둥근 계단형 프로파일일 것이다. 상기 프로파일의 평평한 부분(14)은 상대굴절률이 음인 또 다른 낮은 Δ% 부분(18)에 이어진다. 점(22)은 프로파일이 추가적인 환상 영역을 포함할 것임을 나타낸다. 점선(8 및 10)은 코어 중심에 밀접한 다른 프로파일 형태들을 나타낸다. 점선(2)로 표시되는 계단형 굴절률 프로파일은 α-프로파일 형태(6)와 다르다. 점선(12 및 16)은 상기 프로파일의 음의 Δ% 영역에 있어서 다른 프로파일 형태를 나타낸다.
또한 도 1은 여기 사용된 용어로서 반경 및 폭의 정의를 나타낸다. 중심 프로파일의 반경(3)은 코어 중심선으로부터 프로파일(6)을 외삽하여 x-축과 만나는 지점까지 연장된 선이다. 중심 프로파일을 둘러싼 환상 영역의 반경은 일반적으로 코어 중심에서 환형(20)의 반경(7)에 의해 도시된 바와 같이 환상 영역의 중심부까지로 측정된다. 환상 영역의 폭은 환형(20)의 폭(5)에 의해 도시된 바와 같이 절반의 Δ% 지점들에서 측정된다.
생산 연구 뿐만 아니라 광범위한 모델링 연구는 도 2에 도시된 프로파일 상에서 실시되었다. 하기 표 1은 도 2의 프로파일의 저감쇠 서브-세트의 변수들을 나타낸다.
[표 1]
r3 또는 w3 중 어느 하나가 0인 경우는 도 3에서 도시된 코어 굴절률을 위한 최적의 감쇠의 간단한 추가실시예이다. 상기 표 1에서 주어진 변수들의 정의는 도 2에서 찾을 수 있다. 1의 α를 갖는 중심 α-프로파일은 곡선(30)으로 도시된다. 중심선(28)상의 굴절률은 α-프로파일(30)의 최대 굴절률보다 작다. 점선(26)은 최대 굴절률이 도파관 중심선에 놓이는 경우에 상기 프로파일이 설정될 수 있음을 나타낸다. 상대굴절률(30)은 Δ 1%이며, 반경(31)은 r1이다. 영역(32)의 상대굴절률은 Δ 2%이다. 둥근 계단형의 상대굴절률은 Δ 3%이며, 반경(33)은 r3이고, 폭(35)은 w3이다. 상기 표 1에 나타낸 변수들을 갖는 코어 굴절률 프로파일은 하기 표 2에 주어진 도파관 섬유 기능의 특성을 가질 것이다. 상기 표 1에 주어진 700 코어 굴절률 프로파일에 있어서 하기 표 2에 진술된 요구되는 기능의 특성들을 갖는 것이 발견되었다. 상기 표 1의 변수들의 모든 조합이 하기 표 2에 진술된 기능의 특성을 얻지 않음을 알 수 있을 것이다.
[표 2]
상기 표 2에 도시된 도파관 특성들은 다중화된 고 입력세기 전기통신 시스템에 사용하기 위한 도파관 섬유의 특징이었다. 실시예의 이러한 선택은 편리함을 위해 제조되었지만 본 발명을 한정 또는 제한하는 것은 아니다.
또 다른 코어 굴절률 프로파일의 형태는 상기 표 2에 주어진 도파관의 특성들을 제공하는 변수의 한계를 찾기 위해 모델링되었다. 이러한 제 2의 코어 굴절률 형태는 도 3에 도시되었다. 또한 중심선 굴절률(38)이 α-프로파일의 최대 굴절률(40)보다 작고, 여기서 α=1인 중심 프로파일 형태를 사용하도록 선택한다. 점선(36)은 상기 프로파일이 중심선상에서 더 낮은 굴절률 없이 모델링됨을 나타낸다. 도 3에 도시된 코어 굴절률 프로파일은 두 개의 시그먼트를 갖는다. 중심 시그먼트(40)는 상대굴절률 Δ 1% 및 표 3에서 r1로 표시된 반경(41)을 갖는다. 굴절률 프로파일의 계단형 부분(42)은 표 3에서 r2로 표시된 반경(43)을 갖는다. 시그먼트(42)의 상대굴절률은 Δ 2%이다. r2의 외부 말단 지점은 가로축 또는 X-축까지 시그먼트(42)의 경사진 부분을 외삽하여 얻어진다.
[표 3]
상기 표 3에서 변수들의 모든 가능한 조합들은 상기 표 2에 주어진 특성들을 갖는 도파관을 제공하지 않는다. 그러나, 상기 표 3의 변수들의 조합인 200 굴절률 프로파일에 있어서의 모델 연구에서는 상기 표 2에 도시된 범위에서 특성들을 갖는 도파관을 제공한다. 도 2의 굴절률 프로파일은 도 3에서 예시된 프로파일들보다 더 낮은 분산 기울기인 약 0.01ps/nm2-km의 평균값을 일반적으로 갖는다.
4개의 다른 프로파일 유형들을 갖는 도파관에서 감쇠 측정으로부터의 실험 결과가 도 4 및 도 5에 도시되었다. 도파관 섬유 유형 A, C, 및 D는 도 2에 도시된 프로파일의 변형이다. 유형 A 도파관은 상기 표 1에서 더욱 특정지어진다. 도파관 섬유 B는 계단형 굴절률 단일 모드 도파관 섬유이다.
도 4에서, 1550nm에서의 감쇠는 각각의 도파관들의 유효군 굴절률 ngeff에 대하여 챠트된다. 상기 공정은 생산변수들로 인한 모든 데이터 산란(data scatter)을 제거하기 위해 조심스럽게 조절되었다. -OH 함량효과에 의한 데이터 산란 및 레일리 산란이 또한 제거된다. 따라서, 각 도파관 유형에 있어서의 지점들의 뭉치는 유효군 굴절률이 변함에 따라 발생하는 굴절률 프로파일의 변화로 인한 감쇠의 변화를 나타낸다. 검은 사각형(44)으로 표시된 계단형 굴절률 도파관 B는 도시된 ngeff의 변화에 있어서 약 0.013dB/km의 프로파일 감쇠 변화를 나타낸다. 또한 검은 다이아몬드(48)로 표시된 A 도파관은 0.02dB/km 감쇠변화를 나타내고, 검은 삼각형(46)으로 표시된 C 도파관은 0.015dB/km 감쇠변화를 나타내며, 작은 삼각형(47)으로 표시된 D 도파관은 약 0.017dB/km의 감쇠변화를 나타낸다.
도 5는 감쇠의 변화가 약 30mm 맨드릴 주위로 도파관을 단일 회전시켜 유도된 β 2의 변화에 대해 챠트되는 것을 제외하고는 동일한 데이터를 나타낸다. 여기서 검은 사각형(54)으로 표시된 B 계단형 굴절률 도파관은 전과 동일한 변화값정도를 나타낸다. 도 2에서의 값과 유사한 프로파일은 갖는 검은 다이아몬드(52)로 표시되는 A 유형의 도파관들은 도 2의 다른 유형, 즉 검은 삼각형(56)으로 표시된 C 유형, 및 작은 삼각형(50)의 D 유형의 프로파일보다 β 2변화의 벤딩을 갖는 더 큰 감쇠의 변화를 나타낸다.
도 4 및 도 5에 도시된 실험 데이터의 주요 발견은:
-프로파일 감쇠가 광범위하게 다른 프로파일 형태에 있어서 발생하고;
-프로파일 감쇠가 벤딩시에 β 2의 변화 및 ngeff와 밀접하게 관계된다는 점이다. 이러한 결과에 기초하여, 프로파일 감쇠는 필수적인 일반적인 현상이라는 결론에 도달하였다.
실시예-도 2에 도시된 유형의 제조된 도파관
도 2에 도시된 코어 굴절률 프로파일에 따라 두 개의 다른 인발예형이 제조되었다. 상기 두 개의 프로파일의 변수들은 하기 표 4에 나타내었다.
[표 4]
이러한 인발 예형들로부터 생산된 도파관의 광학 특성들은 상기 표 3에서 도시한 바와 같이 특정 범위내에서 양호하다. 모든 도파관의 측정값들이 하기 표 5에 나타나 있다. 1310nm 및 1550nm의 작업창 모두에서 매우 낮은 감쇠를 나타냄을 알 수 있다. 따라서 이러한 도파관들은 상기 서브세트의 낮은 프로파일 감쇠 도파관내에 있다.
[표 5]
본 발명의 특정 구체예들이 기재되고 설명되었지만, 본 발명은 하기 청구범위에 의해서만 한정되는 것이 아니다.
상기 실시예 및 표에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 도파관은 모델의 정확성 및 완전성 및 공정의 우수한 재현성을 명백히 나타낼 수 있다. 또한 낮은 프로파일 감쇠의 서브-세트의 존재가 설정되었고, 서브세트내에 놓인 도파관의 제조수단이 제공되었다.
도 1은 다양한 프로파일(profile)의 유형(type)을 나타내는 일반적인 개략도이고,
도 2는 세 개의 시그먼트(segment)의 혼합인 코어 구체예의 개략도이며,
도 3은 두 개의 시그먼트의 혼합인 코어 구체예의 개략도이고,
도 4는 1550nm에서의 감쇠 대 유효군 굴절률(effective group index)의 챠트(chart)를 나타내며,
도 5는 1550nm에서의 감쇠 대 벤드 유도 β 2 변화(bend induced change in β 2)의 챠트를 나타낸다.
Claims (9)
- 굴절률 프로파일을 갖는 코어 유리 영역,굴절률 프로파일을 갖고, 상기 코어 유리 영역과 접하여 둘러쌓는 환상 클래드 유리층을 포함하며, 상기 코어 굴절률 프로파일의 적어도 일부분이 클래드층 굴절률 프로파일의 적어도 일부분보다 크고; 여기서, 상기 코어 영역은:외부 반경 r1, 상대굴절률 Δ1%, 및 상대굴절률을 갖는 중심선을 갖는 중심 세그먼트,상대굴절률 Δ2%을 갖고, 상기 중심 영역과 접하여 둘러쌓는 제 1 환상 세그먼트, 및중심 반경 r3, 상대굴절률 Δ3%을 갖고, 상기 제 1 환상 세그먼트와 접하여 둘러쌓는 제 2 환상 세그먼트를 포함하고,여기서, 상기 섬유의 굴절률 프로파일이 1575 nm보다 큰 제로 분산 파장(dispersion zero wavelength); 0.1 ps/nm2-km보다 작은 분산 기울기; 7.9보다 큰 모드 필드 직경에 속하도록 선택되고 그리고 굴절률 Δ1, Δ2, 및 Δ3을 갖는 적어도 세 개의 세그먼트들을 갖는 굴절률 프로파일을 갖고, 여기서 Δ1 > Δ3 > Δ2이고, 내부 부피가 2.67 유니트 내지 3.62 유니트이고 외부 부피가 1.00 유니트 내지 7.85 유니트인 내부 및 외부 프로파일 부피에 의해 더 특징지어지며, 상기 코어의 굴절률 프로파일은 1550 nm에서 0.203 db/km보다 작은 감쇠에 속하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 저감쇠를 갖는 최적화된 단일 모드 광도파관 섬유.
- 제 1항에 있어서, 1550 nm에서의 감쇠는 0.19 db/km 이하인 것을 특징으로 하는 단일 모드 광도파관 섬유.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, Δ1%는 0.77% 내지 1.30%의 범위 내이고, r1은 2.04 ㎛ 내지 3.41 ㎛의 범위 내이고, Δ2%는 0% 내지 0.16%의 범위 내이고, Δ3%는 0% 내지 0.51%의 범위 내이고, r3는 5.53 ㎛ 내지 10.21 ㎛의 범위 내이고, 그리고 W3는 0 내지 5.76 ㎛의 범위 내인 것을 특징으로 하는 단일 모드 광도파관 섬유.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 전체 분산 기울기는 0.10 ps/nm2-km이고, 직경이 7.9 ㎛ 내지 9.1 ㎛의 범위 내이고 그리고 절단 파장이 1500 nm 이하인 것을 특징으로 하는 단일 모드 광도파관 섬유.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 모드 필드 직경은 7.9 ㎛보다 큰 것을 특징으로 하는 단일 모드 광도파관 섬유.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 단일 모드 광도파관은 핀 어레이 벤딩 조건하에서 유도 감쇠에 의해 특정되고, 상기 핀 어레이 벤딩 유도 감쇠는 8 dB 이하인 것을 특징으로 하는 단일 모드 광도파관 섬유.
- 제 3항에 있어서, 상기 제로 분산 파장은 1575 nm 내지 1595 nm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 단일 모드 광도파관 섬유.
- 제 4항에 있어서, 상기 제로 분산 파장은 1575 nm 내지 1595 nm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 단일 모드 광도파관 섬유.
- 제 3항에 있어서, 내부 부피가 대략 3.02 유니트이고 외부 부피가 대략 3.9 유니트인 내부 및 외부 프로파일 부피에 의해 더 특징지어지며; 여기서,프로파일 변수들의 조합은 1550 nm에서 0.19 dB/km 이하의 감쇠를 갖는 단일 모드 도파관을 제공하는 상술한 범위들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 모드 광도파관 섬유.
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