KR101558257B1 - 분산보상 광섬유 - Google Patents

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Abstract

일종의 분산보상 광섬유는 코어 및 클래딩을 포함하되, 코어는 주로 게르마늄이 첨가된 상대 굴절률 차이가 양의 값인 코어층이며, 코어의 외측을 코팅하는 코어층은 순차적으로 주로 불소가 첨가된 함몰 클래딩, 주로 게르마늄이 첨가된 고리형 클래딩, 주로 불소가 첨가된 정합 클래딩 및 최외층의 기계 클래딩이다. 코어와 각 클래딩의 상대 굴절률 차이 범위는 순차적으로 △1%는 1.55%~2.20%, △2%는 -0.55%~0.30%, △3%는 0.40%~0.65%, △4%는 -0.20%~-0.01%, △5%는 0이다. 코어와 각 클래딩의 반경 범위는 R1으로부터 R5까지 순차적으로: R1은 1.4~1.7㎛, R2는 4.1~4.8㎛, R3는 6.7~8.8㎛, R4는 10~17㎛, R5는 38~63㎛이다. 상기 분산보상 광섬유는 C 파장구간에서 높은 음분산계수와 적합한 음분산 경사를 가지며, 우수한 접속 성능을 구비하여 신속한 접속 및 낮은 접속 손실을 실현할 수 있다.

Description

분산보상 광섬유{DISPERSION COMPENSATION FIBER}
본 발명은 일종의 C 파장구간(1530nm~1565nm)의 광통신 윈도우에서 작업하는 분산보상 광섬유(DCF)에 관한 것으로, 특히 표준 단일모드 광섬유(G.652, ITU-T 표준)의 색분산과 분산 경사 보상에 적용될 수 있는 광섬유에 관한 것이다.
표준 단일모드 광섬유의 DWDM 시스템이 보편적으로 이용되고 또한 고속, 장거리, 무중계 및 고밀도 채널의 방향으로 발전함에 따라, 파장분할 다중화 전송 기술이 급속하게 발전되어, 작업 파장대역 확장과 파장의 다양성 증가가 빠르게 발전하고 있다.
G.652 광섬유를 기반으로 구축된 장거리 광케이블은 1310nm 파장구간에서 최소한의 색분산을 가지나 단 감쇄가 비교적 큰데 비해, 1550nm 파장구간에서는 가장 낮은 감쇄를 갖는다(약 0.20dB/km). 따라서 1550nm 파장 윈도우의 이용이 절실히 필요하다. 1550nm 파장구간에서 작업하는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)의 성공적인 개발과 실용화는 감쇄가 통신시스템을 제한하는 것을 한 단계 더 해소하였으며, 이는 1550nm 파장구간이 대용량, 장거리 광파 시스템의 바람직한 윈도우가 될 수 있게 하였다. 1550nm 파장구간에서, 현재 상용 단일모드 광섬유 및 그 DCF는 다음과 같은 분산 특성을 갖는다. 비분산형 단일모드 광섬유(G.652C/D, ITU-T 표준)의 분산 시스템은 대략 17ps/nm-km이며, 분산 경사는 대략 0.058ps/nm2-km이므로, 따라서 요구되는 DCF의 RDS는 대략 0.0036nm-1이다.
1550nm 파장구간에서 1310nm 제로 분산 표준 단일모드 광섬유 통신 네트워크의 업그레이드 및 확장 문제를 해결하기 위하여, 국제적으로 분산보상 기술을 광범위하게 채택하여 링크 분산을 개선하고 있다. 현재 대량으로 상용화된 것은 분산보상 광섬유(DCF) 기술을 이용하여 통신 링크 광섬유에 대하여 분산 및 분산 경사를 동시에 보상해 주는 기술로서, 이러한 기술은 광섬유 그레이팅 분산 보상 기술 및 전자 분산 보상 기술과 같은 기타 분산 보상 기술보다 훨씬 신뢰할 만하고, 또한 기술도 더욱 성숙하다.
DCF는 광섬유의 도파관 구조를 통해 광섬유 중에서 광신호의 전송 파라미터를 변경해주며, 또한 광섬유의 코어가 비교적 큰 굴절률을 지니게 함으로서, 비교적 큰 음분산값과 분산 경사를 실현한다.
실제 응용에 있어서, DCF는 분산보상모듈로 제작되어 통신링크에 접속되는데, 이때 DCF와 표준 통신 광섬유의 접속손실은 삽입손실의 중요한 영향 인수가 된다. 따라서 DCF의 접속 성능은 하나의 중요한 키 파라미터이며, 실용적인 DCF는 적합한 광학 성능과 전송 성능이 요구될 뿐만 아니라, 우수한 접속 성능, 즉 낮은 접속 손실과 또한 접속 공정의 고효율 및 안정성이 요구된다. 접속 성능은 DCF 원가와 성능에 영향을 미치는 주요 요소이며, 접속 손실이 낮을수록 모드의 성능이 우수해지며, 접속 절차가 신속할수록 효율은 높아지고 접속 원가는 낮아진다.
이미 공개된 특허문헌 중, DCF 접속 성능을 개선한 제품 및 방법에 관한 예시들이 있다. 1550nm인 광원의 경우, DCF의 모드필드 지름은 대략 5㎛인데, 표준 통신 광섬유의 모드필드는 약 10.5㎛로서, 이러한 모드필드의 차이(모드필드 부정합)로 인해 광파워가 큰 모드필드로부터 작은 모드필드로 유입될 때 누설되기 쉽다. 종래 기술은 복잡한 용접 공정을 이용하여 광섬유 단점 경계면 부근의 DCF 코어에 확산을 발생시키고, 부근의 DCF 모드필드 분포를 원추형의 과도 영역을 이루도록 하는데, 이러한 영역의 굴뚝효과는 모드필드 부정합으로 인한 광파워 손실을 감소시킴으로써 접속 손실을 낮추기에 유리하다.
종래 기술은 또한 브리지 섬유를 교량 삼아 DCF와 표준 단일모드 광섬유를 접속시키는 방법에 관한 것이기도 하다. 브리지 섬유는 구조가 DCF와 유사하나 각 층의 도핑 농도가 DCF보다 낮은 특수 광섬유이다. 브리지 섬유의 양단은 각각 DCF 및 표준 단일모드 광섬유과 서로 용접 연결되며, 또한 양단부는 상이한 접속 공정을 이용한다. 브리지 섬유와 DCF가 접속되는 일단은 코어 영역의 원소 확산과 모드필드 부정합을 감소시키도록 용접 출력은 낮게 그리고 용접 시간은 짧게 하고, 브리지 섬유와 단일모드 광섭유가 접속되는 타단은 브리지 섬유의 코어에 확산을 발생시켜 모드필드의 정합을 실현하도록 용접 출력은 높게 그리고 용접 시간은 길게 한다.
미국특허 6603914는 일종의 DCF의 조성 구조 및 제조방법을 공개하였으나, 접속 방법 및 DCF의 광학 전송 성능에 관해서는 다루지 않았다. 미국특허 6543942는 일종의 브리지 섬유를 이용하여 DCF와 표준 단일모드 광섬유를 접속시키는 방법을 설명하였는데, 상기 방법은 접속 손실을 낮추었으나, 상응하는 DCF의 광학 전송 성능은 공개하지 않았을 뿐만 아니라, 상기 방법은 공정이 복잡하고 소모 시간이 길며, 접속 효율이 낮아 실용적이지 못하다. 중국특허는 DCF의 접속방법에 관하여 다룬 것이 없다.
상기 문헌들은 이미 각종 DCF와 표준 단일모드 광섭유의 접속 성능을 개선하는 방법 및 상응하는 DCF 제품에 관하여 다루었으나, 단 접속성능을 개선하면서도 또한 우수한 광학 전송 성능을 지닌 DCF 제품 및 그 접속방법에 대해서는 아직까지 보고된 바 없다.
중량백분비: 광섬유 분리층 중 충분히 작은 어느 한 영역 내에서의 원소의 중량백분비로서, wt%로 표시한다.
상대 굴절률 차이 △i%:
Figure 112013065133477-pct00001
로서, 그 중 △i%는 코어의 각 분리층의 상대 굴절률 차이이고, ni는 i번째층 광섬유 재료의 굴절률이며, n0는 순도 실리카 유리의 굴절률이다. 각 분리층의 굴절률은 각 지름 방향점 부위에서 상기 분리층의 굴절률값으로 분포되며, 별도로 설명하지 않는 한, 본 발명 중 △i%는 모두 상기 각 코어 분리층 중의 절대값이 최대인 상대 굴절률 차이이다.
반경: Ri로 (i=1, 2, 3, 4, 5)를 대표하며, 각 분리층의 반경 Ri는 광섬유의 중심선으로부터 상기 분리층 중 중심선에서 가장 먼 점까지의 거리이다.
RDS: 어느 한 특정 파장에서 광섬유의 상대 분산 경사(RDS값)는 상기 파장 상의 분산 경사(DS)와 분산(D)의 비율값으로 정의한다. RDS=DS/D. C 파장구간의 통신 윈도우에서는 일반적으로 1550nm 파장을 중심 파장으로 선택하며, RDS1550 = DS1550/D1550이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술문제는 상기 종래 기술에 존재하는 단점에 대하여 C 파장구간에서 높은 음분산계수와 적합한 음분산 경사를 갖는 분산 보상 광섬유를 제공하고자 하는데 있으며, 상기 분산보상 광섬유는 우수한 접속 성능을 구비하여 신속한 접속 및 낮은 접속 손실을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 광학 및 전송 성능을 유지할 수 있다.
본 발명이 상기에서 제시한 문제를 해결하기 위해 채택한 기술방안은 다음과 같다. 코어 및 클래딩을 포함하되, 코어는 주로 게르마늄이 첨가된 상대 굴절률 차이가 양의 값인 코어층이며, 코어의 외측을 코팅하는 코어층은 순차적으로 주로 불소가 첨가된 함몰 클래딩, 주로 게르마늄이 첨가된 고리형 클래딩, 주로 불소가 첨가된 정합 클래딩 및 최외층의 기계 클래딩이며, 코어와 각 클래딩의 상대 굴절률 차이 범위는 순차적으로 △1%는 1.55%~2.20%, △2%는 -0.55%~-0.30%, △3%는 0.40%~0.65%, △4%는 -0.20%~-0.01%, △5%는 0이다. 코어와 각 클래딩의 반경 범위는 R1으로부터 R5까지 순차적으로: R1은 1.4~1.7㎛, R2는 4.1~4.8㎛, R3는 6.7~8.8㎛, R4는 10~17㎛, R5는 38~63㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 방안에 따르면, 상기 코어의 게르마늄 중량 백분비는 15wt%~35wt%이고, 함몰클래딩의 불소 중량 백분비는 1wt%~5wt%이며, 고리형 클래딩의 게르마늄 중량 백분비는 4wt%~10wt%이며, 정합 클래딩의 불소 중량 백분비는 0.3wt%~3wt%이다.
상기 방안에 따르면, 상기 코어와 각 클래딩의 염소 중량백분비는 0wt%~1.0wt%이다.
상기 방안에 따르면, 상기 코어의 게르마늄 중량백분비는 20wt%~30wt%이고, 함몰클래딩의 불소 중량백분비는 2.0wt%~3.5wt%이며, 고리형 클래딩의 게르마늄 중량백분비는 5wt%~8wt%이며, 정합 클래딩의 불소 중량백분비는 0.7wt%~1.5wt%이다.
상기 방안에 따르면, 상기 코어의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.4wt%이고, 함몰 클래딩의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.3wt%이며, 고리형 클래딩의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.3wt%이며, 정합 클래딩의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.4wt%이며, 기계 클래딩의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.7wt%이다.
상기 방안에 따르면, 1530nm에서 1565nm(C 파장구간)파장범위 내의 분산계수는 -120ps/nm-km~-260ps/nm-km이고, 분산경사는 음의 값이며, 감쇄 계수는 0.45dB/km보다 작거나 같다. 상대 분산경사 RDS는 0.0033nm-1부터 0.0040nm-1이며, 편광모드분산(PMD)은 0.25ps/kml/2보다 작거나 같다.
코어와 함몰 클래딩의 상대 굴절률 차이와 기하학적인 관계는 DCF 광학 및 전송성능의 주요 영향 인수이며, 고리형 클래딩은 DCF 모드필드 직경 및 차단파장을 조절하는 역할을 한다. 함몰 클래딩, 고리형 클래딩 및 정합 클래딩은 또한 접속 손실을 조절해주는 역할도 갖는다. 용접기가 용접 작업을 할 때 아크 방전을 통해 대량의 열에너지가 순간적으로 발생하면서 클래딩 분리층 중의 불소를 고온의 조건에서 확산이 일어나게 함으로써 용접점 부근의 굴절률 변화를 일으켜, 부근의 DCF 모드필드를 원래의 작은 모드필드로부터 원추형의 과도 모드필드 영역으로 변환시키며, 상기 영역의 굴뚝효과는 모드필드 부정합으로 인한 광파워 손실을 감소시켜 접속 손실을 낮추기에 유리하다. 최외층의 기계 클래딩은 비교적 높은 점도를 지니고 있어 와이어 드로잉 시 비교적 큰 비율의 와이어 드로잉 장력을 부담하는데, 이와 같이 하면 와이어 드로잉 장력으로 인한 응력이 코어 부분에 집중되어 광섬유 감쇄의 증가가 야기되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 DCF는 PCVD 공정을 채택하여 고순도 석영 라이너튜브 내벽에 석영이 도핑된 유리층을 증착시킨 다음, 증착 후의 공심 석영튜브를 실심의 석영 유리코어로 융축시킨다. 마지막으로 석영 유리 케이싱 파이프에 함입시켜 모재로 조합하고 드로잉 타워에서 인장시켜 광섬유를 제조한다.
본 발명에서 제공하는 DCF 광섬유는 FSM-60S 용접기를 사용하여 용접하였으며, 주요 용접 파라미터는 표 1에 도시된 바와 같다.
표 1 FSM-60S 용접기 DCF+SMF 용접 파라미터

용접 파라미터
설정값
설정값 단위

정위 표준
클래딩

절단한도
0.4
도

손실한정
0.2
dB

코어 각도 한정
0.4
도

청결 방전
150
ms

광섬유 단면간 간격
15
㎛

광섬유 단면 위치
좌-15
㎛

광섬유 워밍업 시간
180
ms

중첩
10
㎛

방전1강도
표준-15
bit

방전1시간
1200
ms

원추형 용접 대기
400
ms

원추형 용접 속도
20
bit

원추형 용접 길이
10
㎛

MFD-좌측설정
5
㎛

MFD-우측설정
9.3
㎛
상기 방안에 따르면, 상기 DCF로 제조한 분산보정모듈과 SMF 말단섬유의 두 접점 부위의 접속 손실의 합이 2dB보다 작거나 같고, 하나의 접점을 용접하는 소모 시간은 90초보다 작거나 같다.
본 발명의 효과는 아래와 같다.
1. 본 발명은 일종의 코어와 클래딩이 첨가된 DCF를 제공하여, 함몰 클래딩, 고리형 클래딩과 정합 클래딩이 용접기의 방전 작용 하에, 접점 부근의 원소 확산에 굴절률 변화를 일으켜 원추형의 과도 모드필드 영역을 형성함으로써 모드필드 부정합을 저하시키고 접속 손실을 감소시켰다.
2. 본 발명의 DCF는 적합한 원소구조 분포를 구비하여 코어와 클래딩의 점도가 정합을 이루도록 함으로써, DCF와 SMF의 신속한 용접을 실현하였고, 하나의 접점을 용접하는 시간을 90초, 심지어 60초 이내로 단축시킴으로써 접속 효율을 대폭 향상시켰고, 용접 원가를 낮추었다.
3. 본 발명은 탁월한 접속 성능을 구비할 뿐만 아니라, 낮은 감쇄계수와 PMD 계수를 가지며, C 파장구간에서 비교적 큰 절대값 음분산계수 및 적당한 상대 분산 경사를 갖추어 C 파장구간 윈도우에서 작업하도록 설계된 광통신 시스템의 업그레이드가 용이하고, 광섬유를 통신 링크에 삽입시키기에 더욱 용이하여 고속, 대용량 시스템 전송 요구를 만족시킨다. 상기 DCF를 기반으로 하는 기기는 G652 광섬유를 기반으로 하는 고속 DWDM 시스템으로 유효 보상을 실시하기에 특히 적합하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상대 굴절률 차이 분포도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게르마늄, 불소, 염소 원소 중량백분비도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상대 굴절룰 차이 섹션 구조도;
도 4는 본 발명의 4개 실시예에 따른 DCF분산도.
본 발명 중의 광섬유는 모두 도 1과 유사한 조성 구조를 가지며, 분리층의 원소 중량백분비 변경을 통해 성능 파라미터가 상이한 광섬유를 획득한다. 각 실시예에서, PCVD 공정을 이용하여 광섬유 모재의 코어를 제조하고, 고순도 석영 유리 튜브 내벽에 순도 석영 유리층 또는 게르마늄 또는 불소 및 염소가 첨가된 석영 유리층을 증착한다. 그 다음, 증착 후의 석영 유리 튜브를 솔리드 석영 유리 코어로 융착시키고, 코어를 석영 유리 케이싱 파이프 내에 함입하여 모재를 제조하고, 드로잉 타워에서 고온 가열로를 거쳐 인장시켜 DCF를 제조한다. 각 실시예의 조성 구조 파라미터 및 광학 전송 파라미터는 실시에의 첨부 표에 도시된 바와 같다.
실시예 첨부 표

실시예
1
2
3
4

게르마늄 wt(%)(코어)
24.81
16.94
32.25
26.13

불소 wt(%)(함몰클래딩)
2.75
3.66
1.23
2.45

게르마늄 wt(%)(고리형 클래딩)
6.77
4.12
9.56
7.05

불소 wt(%)(정합 클래딩)
0.98
2.76
0.35
0.71

염소 wt(%)(코어)
0.22
0.98
0.11
0.35

염소 wt(%)(함몰클래딩)
0.10
0.27
0.55
0.25

염소 wt(%)(고리형 클래딩)
0.15
0.28
0.22
0.41

염소 wt(%)(정합 클래딩)
0.11
0.36
0.44
0.25

△1(%)
1.70
1.56
2.20
1.79

△2(%)
-0.50
-0.55
-0.31
-0.42

△3(%)
0.47
0.41
0.64
0.45

△4(%)
-0.11
-0.05
-0.13
-0.14

R1(㎛)
1.58
1.48
1.43
1.69

R2(㎛)
4.44
4.14
4.4
4.73

R3(㎛)
7.25
6.75
7.11
8.55

R4(㎛)
11.15
10.25
10.12
16.31

R5(㎛)
59
40
38
62

분산계수＠1550nm(ps/nm-km)
-207.50
-209.61
-197.90
-250.72

RDS1550(nm-1)
0.0038
0.0035
0.0034
0.0033

감쇄＠1550nm(dB/km)
0.365
0.387
0.401
0.424

PMD(1525~1565nm)(ps/km1/2)
0.09
0.15
0.23
0.05

양단 접속손실 합＠1550nm(dB)
1.7
1.4
1.9
1.6

접점 용접시간(초)
37
24
55
78

Claims (9)

  1. 코어 및 클래딩을 포함하는 분산보상 광섬유에 있어서,
    상기 코어는 게르마늄이 첨가되고, 상대 굴절률 차이가 양의 값을 가지며,
    상기 클래딩은 불소가 첨가된 제1 클래딩, 게르마늄이 첨가된 제2 클래딩, 불소가 첨가된 제3 클래딩 및 최외층의 제4 클래딩을 포함하며, 상기 제1 클래딩 내지 제4 클래딩은 상기 코어의 외측에 순차적으로 코팅되며,
    상기 코어와 각각의 상기 클래딩의 상대 굴절률 차이 범위는 순차적으로 △1%는 1.55%~2.20%, △2%는 -0.55%~0.30%, △3%는 0.40%~0.65%, △4%는 -0.20%~-0.01%, △5%는 0이며,
    상기 코어와 각각의 상기 클래딩의 반경 범위는 R1으로부터 R5까지 순차적으로: R1은 1.4~1.7㎛, R2는 4.1~4.8㎛, R3는 6.7~8.8㎛, R4는 10~17㎛, R5는 38~63㎛이고,
    상기 코어의 게르마늄 중량 백분비는 15wt%~35wt%이고, 상기 제1 클래딩의 불소 중량 백분비는 1wt%~5wt%이며, 상기 제2 클래딩의 게르마늄 중량 백분비는 4wt%~10wt%이며, 상기 제3 클래딩의 불소 중량 백분비는 0.3wt%~3wt%인 것을 특징으로 하는 분산 보상 광섬유.


  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어의 게르마늄 중량백분비는 20wt%~30wt%이고, 상기 제1 클래딩의 불소 중량백분비는 2.0wt%~3.5wt%이며, 상기 제2 클래딩의 게르마늄 중량백분비는 5wt%~8wt%이며, 상기 제3 클래딩의 불소 중량백분비는 0.7wt%~1.5wt%인 것을 특징으로 하는 분산 보상 광섬유.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어와 각각의 상기 클래딩의 염소 중량백분비는 0wt%~1.0wt%인 것을 특징으로 하는 분산 보상 광섬유.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.4wt%이고, 상기 제1 클래딩의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.3wt%이며, 상기 제2 클래딩의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.3wt%이며, 상기 제3 클래딩의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.4wt%이며, 상기 제4 클래딩의 염소 중량백분비는 0.1wt%~0.7wt%인 것을 특징으로 하는 분산 보상 광섬유.
  6. 제 1항에 있어서,
    1530nm에서 1565nm파장범위 내의 분산계수는 -120ps/nm-km~-260ps/nm-km이고, 분산경사는 음의 값이며, 감쇄 계수는 0.45dB/km보다 작거나 같으며, 상대 분산경사 RDS는 0.0033nm-1부터 0.0040nm-1인 것을 특징으로 하는 분산 보상 광섬유.
  7. 제 6항에 있어서,
    편광모드분산은 0.25ps/kml/2보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 분산 보상 광섬유.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 분산 보정 광섬유(DCF)로 제조한 분산보정모듈과 단일모드 광섬유(SMF) 말단섬유의 두 접점 부위의 접속 손실의 합이 2dB 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 분산 보상 광섬유.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 분산보정 광섬유(DCF)와 상기 단일모드 광섬유(SMF) 말단섬유에서 하나의 접점을 용접하는 소모 시간은 90초 이하인 것을 특징으로 하는 분산 보상 광섬유.
















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