KR101374259B1

KR101374259B1 - 다중-파장의 다중 모드 광섬유

Info

Publication number: KR101374259B1
Application number: KR1020070086773A
Authority: KR
Inventors: 2세 제임스 윌리엄 플레밍; 3세 조지 에드워드 오울런드슨
Original assignee: 후루카와 일렉트릭 노쓰 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2014-03-13
Also published as: US7421174B2; US20080050075A1; JP2008058967A; KR20080019568A; JP5636151B2; EP1895337B1; EP1895337A1; CN101135746B; CN101135746A

Abstract

실리케이트 광섬유는, 본 발명자들이 발견한 독특한 조성의 산화알루미늄, 산화인, 산화게르마늄 및 불소로 공-도핑된 등급화 지수 실리케이트 코어를 포함하여, 현저한 모드간 분산없이 다중 모드의 다파장 작동을 가능하게 한다. 예를 들면, 코어는 굴절률이 코어의 중심 또는 중심 부근에서의 최대값으로부터 클래딩 영역과의 계면에서의 최소값까지 등급화되는 다중 조성물을 포함한다. 각각의 코어 조성물은 최적 코어 프로파일 형상이 섬유의 작동 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 일정한 5차원 상 공간의 하위 부피(sub-volume) 내에 존재한다. 약 0.78㎛ 내지 1.55㎛의 파장 범위에서 작동시키기 위해, 각각의 조성물은 바람직하게는 Al₂O₃약 6mol% 이하, P₂O₅약 9mol% 이하, GeO₂약 6mol% 이하, 불소 약 6mol% 이하 및 SiO₂90 내지 100mol%를 포함한다.

실리케이트 광섬유, 산화알루미늄, 산화인, 산화게르마늄, 불소, 굴절률, 코어 영역, 클래딩 영역.

Description

다중-파장의 다중 모드 광섬유{Multi-wavelength, multimode optical fibers}

본 발명은 광섬유, 보다 특히 다중 파장, 다중 모드 실리카 광섬유에 관한 것이다.

다중 횡모드(muti-transvers-mode) 광섬유(이하, 간단히 다중 모드 섬유라고 함)의 제조는 매우 정교한 개발 단계에 이르렀다. 그러나 몇 가지 경우, 다중 모드 섬유 사양은 매우 엄격하여 필요 사양을 만족시킬 수 있는 재료 및 공정을 개발하는 것이 곤란하다. 예를 들면, 다수의 높은 대역폭의 섬유 특성, 특히 이의 분산 특성은 섬유 코어의 직경 변화 및 이의 굴절률 프로파일에 대해 매우 민감하다. 사실상, 몇 가지 시판중인 다중 모드 섬유에 대해 계산해 보면 코어 프로파일의 1% 정도의 작은 변화가 분산의 10% 이하의 변화를 유도한다고 나타났다. 이러한 분산 효과로 인해, 이러한 섬유에 대한 사양은 일반적으로 작동의 1개의 중심 파장에만 적용 가능하다. 이러한 제한으로, 소비자의 사양을 충족시키는 적합한 대역폭을 달 성하는 것이 때로는 곤란하다. 이러한 대역폭 제한은 다중 모드 섬유가 현저한 분산을 도입하지 않고 추가의 중심 파장을 전달한다면, 즉, 다중 모드 섬유가 다중 파장 섬유이기도 하다면, 완화될 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 전달 파장은 현저히 중복되지 않는 주파수 도메인에서 서로 충분히 분리되어야 하며, 이는 차례로 중심 파장의 선폭을 초과하는 거리로 분리됨을 의미한다.

다중 모드 섬유 설계의 초기 연구자들은 코어의 포물선형 굴절률 프로파일이 실질적으로 섬유의 인터모달 분산(intermodal dispersion)을 유도함을 인지하였다. 그러나, 이들은 이러한 포물선형 프로파일이 최적이고 모든 전달 파장 및 섬유 조성물에 대하여 동일할 것이라고 추정하였다. 이러한 접근에서는 이로부터 섬유를 제작하는 상이한 물질 조성물의 굴절률 분산의 변화가 고려되지 않았다. 1975년경, 켁크(Keck)와 올샨스키(Olshansky)는 다중 모드 섬유의 클래딩 재료 및 코어의 분산 특성의 변화가 임의의 작동 파장에 대한 최적 프로파일 형상에라도 영향을 미침을 인지하였다. 이들은 본원에 참조로 인용되는, 미국 특허 제3,904,268호(1975. 9. 9)에 광섬유의 최적 굴절률 프로파일 형상을 측정하는 데 사용되는 최신 표준 수학식을 기재하였다. 이러한 수학식에서 코어 반경 a보다 작은, 임의 반경 r을 갖는 코어의 굴절률 n_c(r)은 다음 수학식 1로 제시된다.

n_c(r) = n_c1[1-2Δ(r/a)^α]^1/2

여기서, 다음을 추가로 나타낸다.

α_opt = 2+y-[Δ(4+y)(3+y)/(5+2y)]

Δ = (n_c1 ²-n_c2 ²)/2n_c1 ²

y = -(2n_c1/N₁)(λdΔ/dλ)/Δ

N₁ = n_c1-(λdn_c1/dλ)

양 n_c1 및 n_c2는 각각 r = 0 및 r = a에서의 코어의 굴절률이고, λ은 전달 매질로서 광섬유를 혼입시키는 시스템의 작동 파장이다. 수학식 4의 y-파라미터를 통하여 굴절률 분산의 충격을 인지하기 전에, 최적 프로파일 형상 파라미터인 α_opt는 전체 섬유 전달 파장에 대하여 2인 것으로 예상되었다.

그러나, 켁크와 올샨스키의 연구에 따르면, 최적 프로파일 형상은 다중 모드 광섬유의 유리 성분의 현저한 분산 변화를 기준으로 한 전달 파장의 함수로서 현저히 변화된다는 것이 인지되었다. 선행 기술분야의 숙련가들은 y-파라미터를 환산하여 프로파일 형상이 파장에 보다 근접하게 비의존적인 다중 섬유를 수득하는 몇 가지 방법을 제안하였다. 즉, 이들의 목적은 dα_opt/dλ이 0인 다중 모드 조성 구조를 설계하는 것이었다. 예를 들면, 본원에서 참조로 인용되는, 디.씨. 글로지(D.C. Gloge) 등의 미국 특허 제4,105,283호(1978. 8. 8) 에는 클래딩 재료와 섬유 코어의 분산물 사이의 필연적 관계를 관찰하여 y-파라미터를 변경시키는 방법이 개략되어 있다. 그러나, 이들은 이론적인 프로파일 형상을 달성하는 데 사용될 수 있는 분산 특성을 갖는 특정 재료를 확인하지 않았다. 본원에서 참조로 인용되는, 글로지 등의 미국 특허 제4,025,156호(1977. 5. 24)에는 다중 섬유에 대한 넓은 파장 범위에 대한 dα_opt/dλ이 0에 가까운 특성을 나타내는, 특수 조성 시스템인, GeO₂-B₂O₃-SiO₂ 유리 시스템이 기재되어 있다. 이의 예는 NA(Numerical Aperture; 개구수)가 0.2에 훨씬 못미쳐서 다중 섬유에 대한 현재의 표준을 만족시키지 못하는 다중 모드 섬유였다. 또한, 제이.더블류. 플레밍(J.W. Fleming)은 P₂O₅-B₂O₃-SiO₂ 유리 시스템에서 동일한 개념을 밝혀내었다[참조: 본원에서 참조로 인용되는, 미국 특허 제4,033,667호(1977. 7. 5)]. 그는 당해 유리 시스템이 dα_opt/dλ이 0에 가까운 500nm 파장 범위를 가짐을 밝혀내었다. 당해 시스템에서 섬유 NA는 용이하게 0.2를 초과하도록 할 수 있다.

최종 프로파일 형상이 파장에 비의존적이어야 하는 중요성은 현재도 익히 공지되어 있지만, 적합한 분산물을 제공하는 섬유 코어 조성물은 매우 드물다. 더욱이, 극소수의 적합한 조성물도 환경적 민감성 또는 제조 곤란성 등의 기타의 문제를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 그 결과, B₂O₃-SiO₂ 유리 시스템이 다중 모드 섬유 제조에 대한 표준이 되지 못하고 GeO₂-SiO₂ 시스템이 표준이 되었다. 그러나, 굴절률 프로파일에 대하여 GeO₂에 좌우되는 코어는 파장 비의존성에 대한 최적 프로파일 형상을 나타내지 않고 하나의 전달 파장에 대하여 최적화될 수 있다. 그러나, GeO₂-SiO₂ 시스템에서의 유리는 MCVD, PCVD 및 OVD 등의 기상 방법을 사용하여 광섬유 코어로 가공하기에 용이하다. 이제까지 최적 프로파일 형상의 파장 비의존성은 0.78 내지 1.55㎛ 범위에서는(0.85 내지 1.3㎛ 범위에서도) 어떠한 다중 모드 섬유 제조업자에 의해서도 시판된 적이 없다.

따라서, 섬유의 작동 파장의 소정 범위에 걸쳐 파장에 본질적으로 비의존적인 기본적으로 최적의 코어 프로파일 형상을 갖는 다중 모드 섬유가 당해 기술분야에서 여전히 요구되고 있다.

본 발명은 실리카를 90mol% 초과하여 함유하는 다성분 실리케이트 유리 조성물의 범위 내에서의 분산도 측정을 기본으로 한다. 당해 연구에서 매우 중요한 점은 약 6mol% 이하의 Al₂O₃으로 도핑된 SiO₂ 유리가, 도핑되지 않은 실리카 클래딩을 사용하는 경우보다 낮은 dα_opt/dλ을 나타내는 다중 모드 코어에 매우 적합하도록 하는 굴절률 분산도를 가짐을 관찰했다는 점이다. 분산 측정 및 계산을 통하여 본 발명자들은 소량의 공-도펀트(co-dopant)인 P₂O₅, GeO₂ 및 F가 Al₂O₃-SiO₂와 배합될 수 있고 서로 안정한 유리를 생성하여 dα_opt/dλ을 현저히 변화시키지 않고 굴절률 n을 변화시킴을 밝혀내었다. 예를 들면, 이러한 공-도펀트는 전체적으로 단지 수 mol%의 농도로 배합되는 경우, 0.2NA 이상의 다중 모드 섬유에 대한 목적하는 굴절률 증가를 달성하는 한편, 약 0.78 내지 1.55㎛의 파장 범위에 걸쳐 dα_opt/dλ의 상대적으로 작은 변화, 즉 약 0.01 미만의 α_opt 변화를 유지한다.

본 발명의 한 측면에 따라, 실리케이트 다중 모드 광섬유는 단일 조성물에 산화알루미늄, 산화인, 산화게르마늄 및/또는 불소로 공-도핑된 다층 실리케이트 코어 영역을 포함하며, 본 발명자들은 이로 인해 현저한 인터모달 분산없이 다중 모드, 다중 파장 작업이 가능함을 밝혀내었다. 예를 들면, 코어는 굴절률이 코어 영역의 중심 또는 중심 부근의 최대값으로부터 클래딩 영역과의 계면에서의 최소값까지 등급화되는 다중 조성물을 포함한다. 바람직하게는, 굴절률 등급화는 대략 포물선형 프로파일을 따른다.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 각각의 코어 및 클래딩 조성물은 목적하는 최적 코어 프로파일 파라미터(α_opt)가 섬유의 작동 파장 범위에 걸쳐 기본적으로 일정한 5차원적 상 공간의 하위 부피 내에 존재한다. 파장 범위가 약 0.78 내지 1.55㎛인, NA가 약 0.2인 다중 모드 섬유의 작동에 대하여, 각각의 조성물은 바람직하게는 Al₂O₃ 약 6mol% 이하, P₂O₅ 약 9mol% 이하, GeO₂ 약 6mol% 이하, F 약 6mol% 이하 및 SiO₂ 약 90 내지 100mol%를 포함한다.

하나의 양태에서, 코어 영역은 P₂O₅ 약 2mol% 이하를 포함한다(익히 공지된 중수소 하중 등의, 수소 결함 형성으로부터의 일부 보호 형태를 포함하지 않음).

현재 바람직한 양태에서, 코어 영역은 클래딩 영역에 인접한 외부 코어 영역에 의해 둘러싸인 내부 코어 영역을 포함하고, 외부 코어 영역은 기본적으로 P₂O₅를 포함하지 않고, 내부 코어 영역은 기본적으로 F를 포함하지 않는다. 또 다른 현재 바람직한 양태에서, 외부 코어 영역은 F 약 2mol% 이하 및 GeO₂ 약 2mol% 이하를 포함하고, 클래딩 영역은 도핑되지 않은 실리카를 포함한다.

일반적인 광섬유 제조방법

광섬유는 이로부터 코어 및 클래딩이 형성되는 적합하게 도핑된 영역을 포함하는 유리 프리폼(preform)으로부터 제조한다. 프리폼은 일반적으로 프리폼의 일부가 노 영역(furnace region)으로 낮추어지도록 연신 타워에 수직으로 배치한다. 노 영역으로 넣은 프리폼의 일부는 연화되기 시작하고, 프리폼의 하부 말단은 넥-다운(neck-down) 영역으로 공지된 것을 형성하며, 여기서 유리는 프리폼의 원래의 횡단면 영역으로부터 섬유의 목적하는 횡단면 영역으로 유동한다. 넥-다운 영역의 하부 끝으로부터 광섬유가 연신된다.

광섬유는 통상적으로 게르마늄 등의 굴절률 상승 원소로 임의로 도핑된 고순도 실리케이트 유리 코어, 불소 등의 굴절률 강하 원소로 임의로 도핑된 고순도 실리카 유리의 임의의 내부 클래딩 및 도핑되지 않은 실리카 유리의 외부 클래딩을 함유한다. 몇 가지 제조 공정에서는, 이러한 섬유를 제조하기 위한 프리폼을 외부 클래딩에 대한 오버클래딩 튜브를 형성하고, 개별적으로 코어 재료 및 내부 클래딩 재료를 함유하는 코어 봉을 형성하여 가공한다. 오버클래딩 튜브는 예를 들면, 본원에서 참조로 인용되는, 이.에이. 챈드로스(E.A. Chandross) 등의 미국 특허 제5,240,488호(1993. 8. 31)에 논의되어 있는 바와 같이, 졸-겔 공정에 의해 형성할 수 있다. 또 다른 방법으로, 오버클래딩 튜브는 실리카 빌렛(billet)으로부터 연신할 수 있으며, 이러한 튜브는 시판중이다. 코어 봉은 축 증착(vapor axial deposition; VAD), 외부 증착(outside vapor deposition; OVD), 플라즈마 화학 증착(plasma chemical vapor deposition; PCVD) 및 개질된 화학 증착(modified chemical vapor deposition; MCVD)을 포함하는, 당업자에게 공지된 다양한 증착법 중의 어느 하나에 의해 가공할 수 있다. 예를 들면, MCVD는 고순도 기체(예: 규소 및 게르마늄을 함유하는 기체의 혼합물)를 실리카 튜브(기재 튜브로 공지됨)의 내부를 통하여 통과시키는 한편, 횡단 옥시-수소 토치(torch)를 포함한 튜브의 외부를 가열하는 공정을 수반한다. 튜브의 가열 영역에서, 입자를 튜브 벽에 침착시키는 기체 상 반응이 발생한다. 토치 전방에 형성되는 당해 침착물은 토치가 그 위를 통과함에 따라 소결된다. 공정은 필요량의 실리카 및/또는 게르마늄 도핑된 실리카가 침착될 때까지 연속적 통과로 반복한다. 일단 침착이 완료되면, 본체를 가열하여 기재 튜브를 붕괴시키고 기재 튜브가 내부 클래딩 재료의 외부 일부를 구성하는 강화 봉을 수득한다. 가공 완료된 프리폼을 수득하기 위하여, 본원에서 참조로 인용되는, 디.에이. 플레밍(D.A. Fleming)의 미국 특허 제4,775,401호(1988. 10. 4)에서 논의된 바와 같이, 오버클래딩 튜브를 통상적으로 코어 봉 위에 놓고, 성분들을 가열하고 고형의 강화 프리폼으로 붕괴시킨다.

위에서 기재한 공정들 중의 어느 하나, 또는 광섬유 기술 분야의 숙련가에게 익히 공지된 어느 다른 공정을 이용하여, 본 발명자들은 아래에 기재된 특성을 갖는, 광섬유 프리폼 및 이로부터 연신된 섬유의 가공을 진행한다.

일반적인 광섬유 구조

도 1A 및 도 1B에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따르는 하나의 양태에서 다중 모드, 다중-파장 실리카 광섬유(12)는 환상인(annular) 낮은 굴절률(n_clad)의 다중층 클래딩 영역(12.3)에 의해 둘러싸인 상대적으로 높은 굴절률(n_c)의 다중층 실리카 코어 영역(12.1)을 포함한다. 하나의 양태에서, 클래딩 영역(12.3)은 다중층 외부 클래딩 영역(12.3o) 및 코어 영역(12.1)과 외부 클래딩 영역(12.3o) 사이에 배치된 광학적 하부-도핑된 낮은 굴절률(n_ic) 다중층 내부 클래딩 영역(12.3i)을 포함한다. 외부 클래딩 영역(12.3o)은 n_c및 n_ic사이, 즉n_ic<n_oc<n_c인 굴절률(n_oc)을 지닌다. 추가적으로, 코어 영역(12.1)의 굴절률은 중심 또는 중심 부근의 최대값(n_c)으로부터 내부 클래딩 영역(12.3i)의 경계면의 최소값(n_ic)까지 등급화된다. 통상적으로 등급 프로파일은 대략 포물선 형태이다.

대안적으로는, 클래딩 영역(12.3)은 도핑되지 않은 실리카를 포함할 수 있는데, 즉 하부-도핑된 내부 클래딩 영역이 필수적이지 않으며, 따라서 제외될 수 있다. 이 경우에는, n_{clad =}n_oc이다. 예를 들면, 본 발명의 하나의 양태에 따르는 다중 모드 섬유는 도핑되지 않은 실리카 클래딩 영역(12.3)에 의해 둘러싸인 λ가 0.85㎛인 코어 영역(12.1)을 포함한다. 도 2B에 나타낸 바와 같이 코어 영역(12.3)의 프로파일은 r = 0에서의 n∼1.4665로부터 r = a에서 n∼1.453까지 대략 포물선 형태(α는 2.03)로 감소하는데, 이는 도핑되지 않은 실리카 클래딩 영역(12.3)의 굴절률 n_oc = n_clad과 동일하다.

추가적인 대안적 양태로는, 외부 클래딩 영역(12.3)은 도핑되지 않은 실리카 대신에 도핑된 실리카를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 도 1C에 나타낸 바와 같이 코어 영역(12.1)은 다중층인 환상의 외부 코어 영역(12.1o)으로 둘러싸인 다중층 내부 코어 영역(12.1i)을 포함한다.

본 발명의 하나의 양태에 따르면, 내부 코어 영역(12.1i) 및 외부 코어 영역(12.1o)은 적합한 양의 하나 이상의 도펀트[예: P(예: P₂O₅와 같은 산화 인), Ge(예: GeO₂와 같은 산화 게르마늄), Al(예: Al₂O₃와 같은 산화 알루미늄) 및 F]에 의해 실리카 공-도핑된다. 일반적으로, P₂O₅,GeO₂및Al₂O₃가 실리카의 굴절률을 증가시키기 위해 사용되며, F는 이를 감소시키기 위해 사용된다. 그러나, 중요하게는, 공-도펀트의 특정성분 및 코어 영역 내의 이들의 분포가 약 0.2의 NA를 생성하기 위해 선택되며 따라서 최적의 프로파일상 파라미터(α_opt)가 약 0.78 내지 1.55㎛, 바람직하게는 0.85 내지 1.3㎛ 영역에서 파장과 기본적으로 독립적이다.

다중 모드, 다중-파장 섬유의 바람직한 양태에서, 코어 영역(12.1)의 성분은 Al₂O₃ 약 6mol%, P₂O₅ 약 9mol%(대안적인 양태에서는 2mol%), GeO₂ 약 6mol% 및 F 약 6mol%의 공-도펀트의 농도를 포함하며, 코어 영역 내의 SiO₂의 농도는 약 90 내지 100mol%이다. 또한, 외부 클래딩 영역(12.3) 내의 섬유는 도핑되지 않은 실리카이며, 공-도펀트의 공간분포가 바람직하게 설정되어 외부 코어 영역(12.1o)이 기본적으로 P₂O₅를 포함하는 반면 내부 코어 영역(12.1i)은 기본적으로 F를 포함하지 않는다. 또한, 외부 코어 영역(12.1o)은 바람직하게는 F를 약 6mol% 이하로 포함하며, 적합하게는 외부 클래딩 영역(12.3)이 도핑되지 않은 실리카인 경우 GeO₂를 소량(하기한 바와 같이, 내부 코어 영역의 GeO₂의 양에 의존한다) 포함한다.

바람직한 공간분포의 다른 양태로는, 첨가제의 농도가 내부 코어 영역(12.1i)과 외부 코어 영역(12.1o) 사이에서 각각 등급화된다. 적합한 등급화는 코어 영역 내에서의 바람직한 굴절률 프로파일을 생성하며, 또한 외부 코어 영역(12.1o)의 분포가 클래딩 영역(12.3)의 분포에 대응 가능하게 한다.

일반적으로, 인터모달 분산의 최소화에는 외부 코어 영역(12.1o)의 굴절률 분포가 이들 둘러싼 물질의 분포와 대응되는 것이 중요한데, 즉 클래딩 영역의 일부 물질이 외부 코어 영역(12.1o)과 즉시 근접해진다. 예를 들면, PCVD 또는 MVCD가 섬유를 제조하는 데 사용되는 경우, 클래딩 영역(12.3)은 통상적으로 도핑되지 않은 실리카이며, 따라서 외부 코어 영역(12.1o)은 이러한 도핑되지 않은 실리카의 분포와 대응되어야만 한다.

특정 코어 영역층에서 0mol%의 농도가 가능한데, 굴절률 프로파일이 코어 영역의 하나 이상의 층에서 임의의 하나 또는 4개 이상의 도펀트를 제외하고 등급화되는 사실이 인지되었다(예를 들면, 코어 영역은 사용되는 섬유화 기술에 따라 100 내지 1000개의 층을 포함한다). 한편, 상한은, 농도가 상한을 초과하는 경우 프로파일 형상 파라미터를 파장에 의존하게 하는 경향이 있다는 본 발명의 발견과 관련이 있다. 일부 양태에서, 상한은 환경 조건 등에 반대로 영향을 받는 다른 섬유 특성에도 연관될 수 있다.

섬유 내에서 Al₂O₃-SiO₂ 코어 영역과 결합될 때, F가 α_opt의 바람직한 파장 독립 거동을 유지하면서 NA를 증가시킬 수 있으므로 매우 유용하다는 것이 본 발명에 의해 밝혀졌다.

클래딩 영역 성분이 도핑되지 않은 실리카의 분포와 유사한 굴절률 분포를 지니는 경우 코어 영역에서 사용될 수 있는 GeO₂의 양이 제한될 수 있음 또한 본 발명에 의해 밝혀졌다. 일찍이 GeO₂-B₂O₃-SiO₂ 유리 시스템에서 밝혀진 것과 같이, GeO₂는 낮은 dα_opt/dλ를 나타내는 다중 모드 도파관용 도펀트를 증가시키는 지표로서 사용될 수 있다. 또한, 굴절률 분산이 SiO₂에 대해 과도하게 변하기 시작하기 전에 코어 영역 내에서 약 6mol% 이하로 사용될 수 있으며, dα_opt/dλ는 다중 파장 조작에 대해 매우 과하게 된다. 예를 들면, 선행기술의 다중 모드 섬유의 dα_opt/dλ에서 통상적인 변수들은 0.85 내지 1.3㎛ 범위의 파장에서 0.1만큼(용인할 수 없는 정도) 높을 수 있다. 다중 모드 섬유의 GeO₂도핑에 대해서 현존하는 기술에 반하여, 외부 코어 영역(12.1o)에서 GeO₂가 적당히 소량으로 사용되면 dα_opt/dλ를 실질적으로 낮출 수 있음이 본 발명에 의해 밝혀졌다. 예를 들면, 도핑되지 않은 실리카 클래딩을 지니는 다중 모드 섬유의 두가지 실례를 참고한다. 내부 코어 영역이 GeO₂최대값약 5mol%를 지니는 경우, 외부 코어 영역의 GeO₂최대값은 실질적으로 약 2mol%이다. 반대로, 내부 코어 영역이 약 6mol%를 지니는 경우 외부 코어 영역의 GeO₂최대값은 실질적으로 약 4mol% 이하이다.

P₂O₅는 낮은 dα_opt/dλ를 위해서 도펀트를 증가시키는 양호한 지표이나, 불리한 수소 감도를 지니며 중수소 하중(예: 섬유를 직조하는데 사용되는 기재 튜브 내에서 수소 게터 위치)과 같은 수소 결함 발생에 대한 어떠한 보호도 없이 약 2mol%를 초과하여 사용될 수 없다. 이러한 수소 손실 패시베이션(passivation) 방법은 다른 섬유 디자인에도 공지되어 있으며, 본 발명의 다중 모드 섬유에서 유용할 수 있다[참조: 본원에서 참조로 인용되는, 디.제이. 조반니(D.J. Giovanni) 등의 미국 특허 제5,596,668호]. 본 발명의 일부 양태에서 개질 P₂O₅등에 의하면 9mol% 까지 유용하다.

다중 모드 섬유 디자인의 실례

본 발명의 하나의 양태에 따르는 다중 모드 섬유의 코어 영역 내의 예시적 도펀트 농도 프로파일을 도 2A에 나타내었다. 내부 코어 영역(12.1i)은 r = 0으로부터 r = i까지(예: d_c= 2a 일 때 i = 0.75a) 연장되는 반면, 외부 코어 영역(12.1o)은 r = i로부터 r = a까지 연장된다. 클래딩 영역(12.3)은 파장 0.85㎛에서 굴절률 n_clad= n_oc∼1.453인 예시적으로 도핑되지 않은 실리카이다.

일반적으로는, r = i의 내부 코어 영역과 외부 코어 영역 사이의 경계는 내부 코어 영역으로의 모드 그룹의 특정수를 한정하기 위한 요구에 의해 결정된다. 예를 들면, 내부 코어 영역으로의 제1의 17개의 모드 그룹을 한정하기 위하여, 외부 코어 영역의 경계는 r = i = 0.75a이다. 모드 그룹은 기본적으로 동일한 전파상수를 지니는 인도된 모드의 집합이다.

대략 포물선형(α = 2.03)의 코어 영역의 굴절률에 상응하는 변수를 도 2B에 나타내었다. 이 경우, 산화알루미늄, 산화인 및 산화게르마늄 도펀트의 농도는 다음과 같이 층별로 다양하다: (1) Al₂O₃ 농도는 r = 0으로부터 r = 0.4a까지 약 6mol%로 기본적으로 일정하다가 r∼a에서의 0mol%까지 선형으로 감소한다; (2) P₂O₅농도는 r = 0에서 최대값 약 3mol%로부터 r = i∼0.75a에서의 0mol% 까지 기본적으로 선형으로 감소한다; (3) GeO₂ 농도는 r = 0에서의 약 1mol%로부터 r = a에서의 최대값 약 2mol%까지 기본적으로 선형으로 증가한다; (4) F 농도는 r = i∼0.75a에서의 0mol%로부터 r = a에서의 최대값 약 2mol%(예: 1.9mol%)까지 기본적으로 선형으로 증가한다. 특히, 외부 코어 영역(12.1o)이 P₂O₅를 함유하지 않는 반면, 내부 코어 영역(12.1i)은 F를 함유하지 않으며, 외부 코어 영역(12.1o)은 내부 코어 영역(12.1i)에 비해 높은 GeO₂농도를 지닌다.

또한, 외부 코어 영역(12.1o), 특히 r = a 또는 그 근처의 층을 위해 선택된 특정 성분의 분포가 용해된 도핑되지 않은 실리카의 변이 파장 영역에서의 분산(다중 모드 섬유의 이러한 형태의 클래딩 영역(12.3)에서 사용되는)에 대응됨을 인지하는 것이 중요하다. 등급화된 코어 영역의 다양한 성분들에서의 방법을 다음 목차에서 설명한다.

다중 모드 조작을 위하여, 코어(12.1)의 직경(d_c)은 통상적으로 30 내지 100㎛ 범위이다. 코어 영역의 직경이 약 30 내지 65㎛ 범위인 경우 외부 클래딩 영역의 직경(d_c)은 약 125㎛이나, 코어 영역이 확대되면 약 65 내지 약 100㎛ 범위이며 이때 d_oc는 약 140㎛이다. 반면에, 내부 클래딩 영역(12.3i)(사용되는 경우)의 두께(t_ic)는 섬유의 가공시 최장 파장에 비하여 두꺼워져야 한다(예: 대조군의 두께 약 1.6㎛에 비해 약간 두꺼운 ㎛).

또한, 종래의 표준에 따르는 다중 모드 조작을 위해, 코어 영역(12.1)의 개구수(NA)는 통상적으로 0.200±0.015이다. NA는 내부 클래딩 영역(r = 0)과 외부 클래딩 영역 사이의 굴절률의 차이에 의해 조절되는 공지된 섬유 변수이다(양쪽 모두의 도펀트에 의해 각각 결정된다). 따라서, 코어 영역 내의 P₂O₅ 약 9mol%는 도핑되지 않은 SiO₂의 클래딩과 결합되는 경우 목적하는 NA∼0.2를 생성한다. Al₂O₃ 6mol% 및 P₂O₅ 4mol%와 같은 실리카 내의 다중 도펀트는 동일한 도핑되지 않은 SiO₂의 클래딩과 결합되는 경우 유사한 NA를 생성할 것이다.

등급화된 코어 및 클래딩의 조성 결정

지금부터, 약 0.78 내지 1.55㎛ 범위의 파장에 대한 모달 분산이 수용가능한 낮은 수준인 방식으로 코어의 굴절률을 등급화하기에 적합한 조성물을 어떻게 채택하는가에 대해 기재한다. 조성물에 대한 굴절률은 n이며, 따라서 공지된 수학식 6의 셀마이어 분산식(Sellmeier dispersion relationship)을 이용하여 프로파일 형상 파라미터를 계산하였다.

위의 수학식 6에서,

진동자 강도 Ai는 수학식 7로 정의되며,

진동자 파장 Li는 수학식 8로 정의된다.

위의 수학식 7 및 수학식 8에서,

M_x는 각각의 성분 Al₂O₃, P₂O₅, GeO₂, F 및 SiO₂의 약자인 각각의 x = A, P, G, F 및 S의 몰분율이다.

이들 파라미터를 사용한 셀마이어 방정식은 파장 범위(약 0.78 내지 1.55㎛)에서 정확하며 본 발명의 범위에 부합한다. 또한, 이 범위는 SiO₂90 내지 100mol% 뿐만 아니라 Al₂O₃ 약 mol%, P₂O₅약 9mol%, GeO₂약 6mol% 및 F 약 6mol% 이하의 범위에 의해 한정된다.

각각의 성분의 n(λ)을 측정하여 수득한 실험 데이터를 대입하여 수학식 6을 사용하면, 하기한 표 1의 Ai 및 Li 값을 구할 수 있다.

미리 형성된 코어 영역이 기재 튜브에 연속되는 층 N(예: N은 100)[각각의 층은 상이한 굴절률 n_j에 상응하는 상이한 성분 C_j(여기서 j는 1,2,3...N이다)을 지닌다]을 침착시켜 형성된다고 가정한다. 우선, 다중 모드 섬유 및 목적하는 클래딩에 요구되는 NA를 결정해야 한다. 그 후, 다음 수학식 9를 사용한다.

위의 수학식 9에서,

n_core는 r = 0에서 측정한 굴절률이며,

n_clad는 r>a에서 측정한 굴절률이다.

n_core는 일반적으로 측정할 수 있다.

대부분의 다중 섬유 적용시에는 높은 선폭(예: 지역 네트워트용 10-기가비트 이더넷)을 요하며, 선택된 섬유는 NA 0.2±0.015 및 직경 d_oc =125㎛의 외부 클래딩 영역(12.3o)과 함께 직경 d_c =50㎛의 코어 영역(12.1)을 지닌다(여기서, 내부 클래딩 영역(12.3i)은 사용되지 않는다). 클래딩은 통상적으로는 실리카로 이루어지나 필수적이지는 않다. 따라서, 수학식 6을 사용하면 r = 0에서 적합한 코어 영역 조성물을 결정할 수 있으며, 이들 성분을 위한 변이 범위에서의 모든 특정 파장에 대한 굴절률을 측정할 수 있다.

보다 구체적으로, 수학식 6을 사용하여, 본 발명자들은 r = 0에서 코어 조성물을 선택하고, 각각의 침착 층에 대한 (통상적으로 반복 공정) n_c 값을 계산한다. 마지막으로, 본 발명자들은, 본 발명자들이 n_c 및 NA 값으로부터 계산한 n_oc의 필수 값을 제공하는 r = a에서의 코어 조성물을 결정한다. 본 발명자들은 보정 n_oc 값을 제공하는 r = a에서의 필수 코어 조성물을 결정하기 위해 반복 공정으로 수학식 6을 다시 사용한다. 즉, n_oc의 값은 r = a에서의 굴절률 분산도가 클래딩의 굴절률 분산도에 근접하도록 한다. 클래딩과 비교하여 r = a에서의 굴절률은 약간의 계단 또는 오목부가 존재할 수 있지만, 클래딩 굴절률(0.85㎛에서 1.453)에 비해 매우 작은(약 ±0.001) 굴절률 변화가 존재해야 한다. 이들 2개의 조성물은 코어의 개재 층 각각의 조성물을 결정하기 위해 사용된 조성상 경로의 종말점을 제공한다.

분산도 계산

본 발명자들은 Al₂O₃-P₂O₅-GeO₂-F-SiO₂ 시스템에서 유리를 제조하였다. 벌크 유리 시료에 대한 굴절률 분산도 데이터를 사용하여, 본 발명자들은 각종 다중 모드 섬유 구조에 대한 최적 프로파일 형상 α_opt를 계산하였다. 당해 결과는, SiO₂ 및 Al₂O₃-P₂O₅ 도핑된 SiO₂ 유리의 분산도의 상대적 유사성으로 인해, 최적 프로파일 형상 α_opt의 파장 의존성이 종래의 GeO₂-SiO₂ 시스템에서 관찰된 변화보다 훨씬 작다는 것을 나타낸다. 사실, Al₂O₃6mol%-P₂O₅4mol%-SiO₂92mol%-유리 코어 영역(12.1)과 도핑되지 않은 SiO₂ 클래딩 영역(12.3)에서 α = 2.015를 생성하는 2개 도펀트의 농도 등급화의 경우, 본 발명자들의 계산값은 0.85㎛ 및 1.3㎛에서 최적 형상이 거의 동일함을 나타내고, 이는 전체 파장 범위에 걸쳐 0.5% α_opt 미만 벗어난 것이다.

GeO₂의 굴절률 증가 특성은 목적하는 도펀트를 다중 모드 광섬유 제조에서 계속 사용하게 하지만, 외부 코어 영역(12.1o)에서 이를 추가로 사용하고 내부 코어 영역(12.1i)에서 감소시키면, 외부 코어 영역 분산도가 조절되어 최적 프로파일 연장이 향상된다. 본 발명자들은, α_opt의 개선된 파장 독립성을 유지하면서, 6mol% 이하 GeO₂가 코어 영역에서 Al₂O₃와 함께 첨가될 수 있음을 발견하였다. 상기 형태의 분석을 통해, 본 발명자들은, Al₂O₃-P₂O₅-GeO₂-SiO₂-F 유리 시스템에는 조성 공간이 존재하여, 이로부터 이들 사이의 모든 파장 뿐만 아니라 0.78㎛ 및 1.55㎛ 모두에서의 프로파일 형상 α_opt를 충족시키는 유리를 수득할 수 있음을 발견하였다.

도 3은 하기 표 2에 수록된 5개의 코어-클래딩 영역 조성물에 대한 계산된 최적 프로파일 형상 파라미터 α_opt를 나타낸다. 또한, 곡선 V에 상응하는 현재 바람직한 섬유에 대한 각 성분의 특정 분포는 도 2A에 제시되어 있다.

	내부 코어 (최대 mol%)			외부 코어 (최대 mol%)
곡선	Al₂O₃	P₂O₅	GeO₂	GeO₂	F
I	4	2	0	1	4
II	0	0	10	0	0
III	4	2	1	1	4
IV	6	4	0	0	0
V	6	3	1	2	2

계산된 거동은, 다중 모드 섬유의 코어 영역에 있어서 상기 허용가능한 조성물(곡선 II 제외, 이는 표준 다중 모드 섬유 디자인의 조성물을 나타낸다)로부터 채택된 소정의 유리가, 프로파일 형상 파라미터 α가 최적값에 근접하는 광범위한 파장 범위를 제공한다는 것을 나타낸다. 예를 들면, 곡선 I의 α_opt는 0.85㎛에서의 약 2.03으로부터 1.3㎛에서의 약 2.02까지 매우 약간 변화하고, 이는 단지 약 0.5%의 변화를 나타낸다. 마찬가지로, 곡선 III, IV 및 V의 α_opt는 동일한 파장 범위에 걸쳐 극히 작은 변화를 나타낸다. 4개 모두는 이러한 파장 범위에서 α_opt의 허용가능한 독립성을 나타내지만, 곡선 V는 이러한 파장 범위에서 가장 작은 α_opt 변화를 나타낸다. 대조적으로, 대표적인 종래의 다중 모드 섬유를 나타내는 곡선 II의 α_opt는 상당히 큰 변화를 나타내며, 이는, 동일한 파장 범위에 걸쳐 본 발명의 섬유에 의해 나타나는 변화의 10배 이상인, 약 2.03으로부터 1.92(5.4%)까지 현저히 감소한다.

다양한 재료, 치수 및 작동 조건은 단지 설명을 위해 제공되며, 달리 명시되지 않는 한, 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다.

위에 기재된 설명은 본 발명 원리의 적용을 나타내기 위해 고안될 수 있는 다수의 가능한 특정 양태를 설명하는 것이다. 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않고도 다수의 다양한 조합을 이들 원리에 따라 고안할 수 있다. 특히, 본 발명은 당해 유리체가 광섬유 프리폼 또는 이러한 프리폼으로부터 연신된 섬유 자체인 두 경우에 코어 영역과 주위의 클래딩 영역을 갖는 실리카 유리체에 적용가능하다.

본 발명은 다양한 특징 및 이점과 함께, 첨부하는 도면과 관련하여 보다 상세한 설명으로부터 용이하게 이해될 수 있으며, 도면에서,

도 1a는 본 발명의 하나의 양태에 따르는, 이의 전파 축을 통하여 선택된 광섬유의 축 단편의 도식적 횡단면도이고,

도 1b는 도 1a에 나타낸 섬유의 도식적 굴절률 프로파일이고,

도 1c는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는, 코어 영역이 내부 코어 영역과 외부 코어 영역을 포함하는 광섬유의 코어 영역의 축방향 단편의 도식적 횡단면도이고,

도 2a는 아래의 도 3의 곡선 V와 위의 표 2에 나타낸 본 발명의 예시적인 양태에 따르는, 기본적으로 도핑되지 않은 실리카 클래딩 영역을 갖는 실리카 다중 모드 섬유의 코어 영역 내의 4개의 공-도펀트 각각의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이고,

도 2b는 0.85㎛의 파장에서의 도 2a의 섬유의 코어 영역의 기본적으로 포물선형 굴절률 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도시하지 않았지만, 전달 대역 내의 기타 파장에서의 상응하는 프로파일은 수직(굴절률) 축에 따라 배치됨을 제외하고는 동일한 형상을 갖는다.

도 3은 계산된 최적 프로파일 형상 파라미터가 본 발명의 예시적인 양태에 따르는, 다양한 코어 영역 조성물의 파장 함수로서 어떻게 변화하는지를 나타내는 그래프이다. 특히, 다양한 코어 영역 조성물은 위의 표 2에 제시되어 있고, 클래딩 영역은 기본적으로 도핑되지 않은 실리카이다.

Claims

파장 범위에서 광대역 작동을 위한 굴절률 프로파일 형상 파라미터를 지니는 다층 실리케이트 유리 코어 영역과, 상기 코어 영역에 인접한 클래딩 영역을 포함하는 다중 모드 광섬유로서,

상기 코어 영역과 클래딩 영역이, 0.2의 NA(Numerical Aperture; 개구수)를 갖고 상기 파장 범위의 2개 이상의 파장에서 상기 코어 영역에서의 광 복사(optical radiation)의 동시 전파를 지지하도록 배치되어 있고,

상기 코어 영역이 Al₂O₃6mol% 이하, P₂O₅9mol% 이하, GeO₂ 6mol% 이하 및 불소 6mol% 이하로 공-도핑되고 SiO₂90 내지 100mol%를 포함하고, 상기 공-도펀트(co-dopants)의 농도 및 분포가 방사상으로 변화되어 상기 코어 영역의 굴절률이 방사상으로 등급화되고, 상기 굴절률 프로파일 형상 파라미터가 0.78 내지 1.55㎛의 파장 범위에 걸쳐 0.01 이하로 변화한다는 점에서 상기 광섬유의 최적 프로파일 형상 파라미터가 상기 파장 범위에 의존하지 않는, 다중 모드 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 코어 영역이 P₂O₅ 2mol% 이하로 공-도핑되는, 다중 모드 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 코어 영역이 내부 코어 영역과 외부 코어 영역을 포함하고, 상기 내부 코어 영역이 불소를 포함하지 않으며, 상기 외부 코어 영역이 산화인을 포함하지 않는, 다중 모드 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 코어 영역이 내부 코어 영역과 외부 코어 영역을 포함하고, 상기 외부 코어 영역의 분산도가 상기 클래딩 영역의 분산도와 동일한, 다중 모드 광섬유.
제4항에 있어서, 상기 클래딩 영역이 도핑되지 않은 실리카를 포함하는, 다중 모드 광섬유.
제5항에 있어서, 상기 외부 코어 영역이 불소를 2mol% 이하로 포함하는, 다중 모드 광섬유.
제5항에 있어서, 상기 외부 코어 영역이 산화게르마늄을 2mol% 이하로 포함하는, 다중 모드 광섬유.
제7항에 있어서, 상기 외부 코어 영역이 상기 내부 코어 영역 보다 높은 농도의 산화게르마늄을 갖는, 다중 모드 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 코어 영역의 굴절률이 상기 코어 영역의 중심의 최대값으로부터 상기 코어 영역의 외부 엣지 부근의 최소값까지 등급화되어 있고, 상기 등급화가 수학식 1로 정의되는 포물선 프로파일을 따르는, 다중 모드 광섬유.

수학식 1

n_c(r) = n_c1[1-2Δ(r/a)^α]^1/2

위의 수학식 1에서,

n_c(r)은 반경이 r인 코어의 굴절률을 나타내고,

n_c1은 r = 0에서의 코어의 굴절률을 나타내고,

a는 코어 반경을 나타내고,

Δ는 수학식 3으로 정의되고,

α는 프로파일 형상 파라미터이고,

수학식 3

Δ = (n_c1 ²-n_c2 ²)/2n_c1 ²

위의 수학식 3에서,

n_c1및 n_c2는 각각 r = 0 및 r = a에서의 코어의 굴절률이다.
0.78 내지 1.55㎛의 파장 범위에서 광대역 작동을 위한 굴절률 프로파일 형상 파라미터를 지니는, 내부 코어 영역과 외부 코어 영역을 포함하는 다층 실리케이트 유리 코어 영역과, 상기 외부 코어 영역에 인접한 도핑되지 않은 실리카 클래딩 영역을 포함하는 다중 모드 광섬유로서,

상기 코어 영역과 클래딩 영역이, 0.200±0.015의 NA를 갖고 상기 파장 범위의 2개 이상의 파장에서 상기 코어 영역에서의 광 복사의 동시 전파를 지지하도록 배치되어 있고,

상기 코어 영역층이 Al₂O₃6mol% 이하, P₂O₅9mol% 이하, GeO₂6mol% 이하 및 불소 6mol% 이하로 공-도핑되고 SiO₂90 내지 100mol%를 포함하며, 상기 공-도펀트의 농도가 방사상으로 변화되어 상기 코어 영역의 굴절률이 방사상으로 등급화되고, 상기 굴절률 프로파일 형상 파라미터가 상기 파장 범위에 걸쳐 0.01 이하로 변화한다는 점에서 상기 광섬유의 최적 프로파일 형상 파라미터가 상기 파장 범위에 의존하지 않으며,

상기 외부 코어 영역이 P₂O₅를 포함하지 않고, 상기 내부 코어 영역이 F를 포함하지 않으며,

상기 외부 코어 영역이 상기 내부 코어 영역 보다 높은 농도의 GeO₂를 갖고,

상기 외부 코어 영역의 분산도가 도핑되지 않은 실리카 클래딩 영역의 분산도와 동일한, 다중 모드 광섬유.
제10항에 있어서, 상기 내부 코어 영역의 반경(r)이 r = 0으로부터 상기 코어 영역의 최대 반경 a 이하인 중간 반경까지 연장하고, 상기 외부 코어 영역의 반경이 r = i(i는 내부 코어 영역과 외부 코어 영역 사이의 경계)로부터 r = a까지 연장하며, (1) Al₂O₃ 농도가 r = 0으로부터 r = 0.4a까지 6mol%로 일정하다가, r ~ a에서의 0mol%까지 선형으로 감소하며, (2) P₂O₅ 농도가 r = 0에서의 최대값 3mol%로부터 r = i~0.75a에서의 0mol%까지 선형으로 감소하고, (3) GeO₂ 농도가 r = 0에서의 1mol%로부터 r = a에서의 최대값 2mol%까지 선형으로 증가하며, (4) F 농도가 r = i~0.75a에서의 0mol%로부터 r = a에서의 최대값 2mol%까지 선형으로 증가하는, 다중 모드 광섬유.
삭제
삭제
삭제