KR101731743B1 - 대유효면적 광섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코어와 클래딩을 포함하는 일종의 대유효면적 광섬유에 관한 것으로서, 상기 코어는 내부 코어와 외부 코어로 구분되고, 내부 코어의 반경 r1은 1~4㎛이며, 내부 코어의 외부 코어에 대한 상대 굴절률 차이Δ12는 -0.2%≤Δ12<0%이고, 내부 코어의 외부 코어에 대한 상대 굴절률 차이는 반경의 증가를 따라 불변하거나 또는 점진적으로 증가하며, 외부 코어의 반경 r2는 4~7㎛이고, 외부 코어의 상대 굴절률 차이 Δ2는 -0.15%~0.05%이며, 상기 클래딩은 내부 클래딩, 함몰 클래딩 및 외부 클래딩으로 구분되고, 코어 외부가 내부 클래딩으로 감싸지며, 상기 내부 클래딩 반경 r3는 7~20㎛이고, 상대 굴절률 차이 Δ3은 -0.5%~-0.1%이며,상기 함몰 클래딩의 반경 r4는 12~40㎛이고, 상대 굴절률 차이 Δ4는 -1.0%~-0.3%이며, 최외층은 외부 클래딩이고, 상기 외부 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ5는 -0.2%~0.4%인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 광섬유는 보다 큰 유효면적과 상당히 낮은 전송 손실 및 양호한 벤딩 특성을 구비하여, 장거리 고속 대용량 통신 시스템에 응용되기에 특히 적합하다.

Description

대유효면적 광섬유{OPTICAL FIBER WITH LARGE EFFECTIVE AREA}
본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 낮은 감쇄의 대유효면적 단일모드 광섬유에 관한 것이다.
국제 통신업무의 발전, 특히 인터넷 기술 및 3G와 수동 광 통신망 등 기술의 급속한 발전에 따라, 통신시스템의 광섬유 대역폭에 대한 수요가 비약적인 증가 추세를 보이고 있다. 장거리, 대용량, 고속 전송 통신 시스템은 통상적으로 광섬유 증폭기 기술 및 파장분할다중 기술을 사용해야 하는데, 특히 기간망과 해저통신에서, 광섬유의 무중계 전송 거리와 전송 용량에 대한 요구가 더욱 높다. 그러나, 전송 용량과 거리의 증가는 식별 가능한 신호 대 잡음비의 요구를 만족시키기 위해 보다 높은 입사전력과 보다 낮은 광섬유 손실이 필요하다. 그런데 입사전력이 증가함에 따라, 협소한 광섬유 클래딩에 자체위상변조, 교차위상변조, 4광파 혼합 등 비선형 효과가 불가피하게 발생할 수 있으며, 특히 역치가 비교적 낮은 유도 브리유앵 산란 효과가 발생할 수 있는데, 이러한 효과의 발생은 시스템에 신호 간섭(signal crosstalk)을 발생시키거나, 또는 시스템의 신호 대 잡읍비를 저하시켜 전송 용량을 계속 높일 수 없다.
이러한 비선형 효과의 발생은 광섬유 중의 광전력 밀도와 특히 관련이 있으며, 일반적인 경우, 비교적 큰 유효면적을 사용하면 광섬유 중의 전력 밀도를 낮추어 광섬유 중 비선형 효과의 역치를 저하시키고, 전송 전력을 제고시킬 수 있다. 그러나 유효면적이 증가하면, 광섬유의 MAC 값이 따라서 증가하게 되어, 광섬유가 벤딩에 더욱 민감해질 수 있으며, 실제 사용에서, 광섬유는 벤딩에 의해 발생되는 부가적인 손실이 광섬유 손실의 증가를 초래하여 전송 성능에 영향을 줄 수 있다. 또한, 광섬유 손실이 낮을수록, 동일한 입사전력으로 더욱 멀리 전송 가능하고, 광섬유의 전송 용량 역시 향상될 수 있다.
국제전기통신연합 IUT-T는 2010년 수정된 G.654 표준에서 차단파장 시프트 단일모드 광섬유를 정의하였다. 이는 감쇄 수준이 0.22dB/km 미만이고, 1550nm 파장 윈도우에서의 모드필드 직경이 9.5-13㎛으로, 표준 단일모드 광섬유 SSMF(standard single-mode fiber)에 비해, 그 모드필드 직경이 1-2㎛ 증가하여, 상대적으로 비교적 큰 유효면적을 지녀 해저 광케이블에 사용할 경우 무중계 전송 길이를 효과적으로 제고시킬 수 있으나, 그 매크로벤딩 성능은 SSMF에 비해 뚜렷하게 낮아진다.
특허 US6904218은 아래의 광섬유 구조 분포를 설명하였다. 상기 광섬유 구조는 중앙의 코어, 중간 함몰 클래딩 및 외부 클래딩을 포함하며, 또한 1310nm 파장 부위에서의 유효면적은 80㎛2이고, 이러한 광섬유는 10mm인 굴곡반경에서의 매크로벤딩 손실이 0.7dB/바퀴 미만이며, 그 광섬유 감쇄값은 겨우 0.19dB/km보다 낮으나 모든 실시예에서의 유효면적은 1550nm 윈도우에서 최고 131.2㎛2에 불과하다.
특허 US7254305는 이하 광섬유 구조 분포를 설명하였다. 상기 구조는 중앙의 코어, 중간 클래딩, 함몰 클래딩과 외부 클래딩을 포함하며, 1550nm 파장 부위에서의 감쇄는 0.19dB/km이다. 그런데 그 구조 분포 중 중앙의 코어와 클래딩의 굴절률 차이값이 지나치게 높아 100㎛2를 초과하는 유효면적을 동시에 획득할 수 없고, 이와 동시에 그 코어 굴절률 절대값이 비교적 높아, 비교적 높은 Ge 도핑 농도가 필요하여 광섬유의 감쇄가 0.185dB/km보다 커지게 된다.
일반적으로, 이하 방법을 통해 광섬유의 유효면적을 높일 수 있다. 하나는 코어의 기하 칫수를 증가시켜, 코어의 굴절률을 클래딩보다 높게 하면, 광섬유 중 대부분의 빛이 모두 코어에서 전파되며, 코어 직경이 증가하면 유효면적이 직접적으로 증가하게 된다. 그런데 코어 직경의 증가는 차단파장에 직접적으로 영향을 미치고, 차단파장은 반드시 통신 윈도우 파장보다 작아야 하기 때문에, 코어 직경의 증가 폭은 제한적이다. 두번째는 코어의 상대굴절률을 낮추는 방법으로, 이렇게 하면 광학필드의 분포가 더욱 평탄해져 유효면적이 증가되는 동시에, 차단파장 역시 낮아지게 되나, 단 광섬유 감쇄에 대해서는 부정적인 영향을 미친다.
코어 구조의 변화와 코어 크기의 증가는 비록 유효면적을 증가시키지만, 광섬유의 벤딩 성능 및 광섬유 감쇄 성능의 악화도 동시에 초래할 수 있다. 광섬유의 벤딩 성능을 고려한다면, 이상의 특허 중 광섬유의 유효면적의 증가값은 제한적이다. 종래 특허 중에는 유효면적이 135㎛2보다 크면서 양호한 벤딩 성능을 유지하는 광섬유는 아직까지 찾아볼 수 없다.
발명 내용 소개의 편의를 위해, 관련 용어를 다음과 같이 정의 및 해석한다.
상대 굴절률 차이는 광섬유 각 층의 굴절률의 순석영 유리 굴절률에 대한 비교값에서 1을 감하여 얻어진 상대 굴절률 차이값을 말한다.
코어는 광섬유 중간의 굴절률이 비교적 높은 부분으로서, 광섬유 중 주요 도광층이며, 본 발명의 코어는 내부 코어 및 외부 코어의 2부분으로 나뉘며, 외부 코어가 내부 코어를 긴밀히 둘러싸고 있다.
내부 클래딩은 광섬유 중 코어를 긴밀히 둘러싸는 클래딩 부분으로서, 광섬유의 함몰 클래딩과 서로 결합된다.
함몰 클래딩은 광섬유 클래딩 중 굴절률이 가장 낮은 부분으로서, 그 상대굴절률은 그 주위의 코어 또는 클래딩보다 낮으며, 광섬유의 함몰클래딩은 광섬유 프리폼 중 일반적으로 PCVD 공정으로 불소 도핑하여 획득하거나 또는 불소 도핑된 석영 슬리브로 구성된다.
외부 클래딩은 광섬유 유리 구조 중 가장 외측의 클래딩 부분으로서, 광섬유의 플라스틱 클래딩과 결합된다.
r1: 내부 코어 반경으로서, 단위는 미크론(㎛)이다.
r2: 외부 코어 반경으로서, 본 발명에서는 즉 전체 코어영역 반역이며, 단위는 단위는 미크론(㎛)이다.
r3: 내부 클래딩 반경으로서, 본 발명에서는 함몰 클래딩 내벽 내의 전체 영역의 반경을 말하며, 단위는 미크론(㎛)이다.
r4: 함몰 클래딩 반경으로서, 본 발명에서는 함몰 클래딩 외벽 내의 전체 영역의 반경을 말하며, 단위는 미크론(㎛)이다.
r5: 외부 클래딩 반경으로서, 즉 전체 광섬유 반경이며, 단위는 미크론(㎛)이다.
Δ12: 내부 코어의 외부 코어에 대한 굴절률 차이.
Δ1: 내부 코어의 순석영유리에 대한 굴절률 차이.
Δ2: 외부 코어의 순석영유리에 대한 굴절률 차이.
Δ3: 내부 클래딩의 순석영유리에 대한 굴절률 차이.
Δ4: 함몰 클래딩의 순석영유리에 대한 굴절률 차이.
Δ5: 외부 클래딩의 순석영유리에 대한 굴절률 차이.
본 발명이 해결하고자 하는 기술문제는 상기 종래 기술에 존재하는 단점에 대해 일종의 대유효면적 광섬유를 제시하여, 비교적 낮은 광섬유 감쇄 및 양호한 벤딩 성능을 유지하는 전제 하에 보다 큰 유효면적을 획득할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명이 상기 문제를 해결하기 위해 채택한 기술방안은 다음과 같다. 코어와 클래딩을 포함하며, 상기 코어는 내부 코어와 외부 코어로 구분되고, 내부 코어의 반경 r1은 1~4㎛이며, 내부 코어의 외부 코어에 대한 상대 굴절률 차이Δ12는 -0.2%≤Δ12<0%이고, 내부 코어의 외부 코어에 대한 상대 굴절률 차이는 반경의 증가를 따라 불변하거나 또는 점진적으로 증가하며, 외부 코어의 반경 r2는 4~7㎛이고, 외부 코어의 상대 굴절률 차이 Δ2는 -0.15%~0.05%이며; 상기 클래딩은 내부 클래딩, 함몰 클래딩 및 외부 클래딩으로 구분되고, 코어 외부가 내부 클래딩으로 감싸지며, 상기 내부 클래딩 반경 r3는 7~20㎛이고, 상대 굴절률 차이 Δ3은 -0.5%~-0.1%이며,상기 함몰 클래딩의 반경 r4는 12~40㎛이고, 상대 굴절률 차이 Δ4는 -1.0%~-0.3%이며, 최외층은 외부 클래딩이고, 상기 외부 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ5는 -0.2%~0.4%이다.
상기 방안에 따르면, 상기 내부 코어의 외부 코어에 대한 상대 굴절률 차이Δ12는 -0.1%≤Δ12<0%이다.
상기 방안에 따르면, 상기 외부 코어의 상대 굴절률 차이 Δ2는 -0.15%~0.05%이고, 외부 코어의 반경 r2는 5~7㎛이다.
상기 방안에 따르면, 상기 내부 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ3은 -0.4%~-0.2%이고, 내부 클래딩의 반경 r3은 10~20㎛이다.
상기 방안에 따르면, 상기 내부 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ3은 -0.35%~-0.1%이고, 내부 클래딩의 반경 r3은 7~15㎛이다.
상기 방안에 따르면, 상기 함몰 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ4의 범위는 -0.6%~-0.3%이고, 함몰 클래딩의 반경 r4는 17~40㎛이다.
상기 방안에 따르면, 상기 함몰 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ4의 범위는 -1.0%~-0.4%이고, 함몰 클래딩의 반경 r4는 10~20㎛이다.
상기 방안에 따르면, 상기 외부 클래딩은 고순도 불소 도핑된 석영유리이며, 외부 클래딩 반경 r5는 62.5±0.5㎛이다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유 코어의 재료는 불소도핑 재료 또는 게르마늄 불소 코도핑 재료이다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1550nm 파장 부위의 유효면적은 110~150㎛2이고; 1550nm 파장 부위의 감쇄값은 0.180dB/km보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 케이블 차단파장은 1530nm보다 작거나 또는 같다.
상기 방안에 따르면, 1550nm 파장 부위에서, 광섬유를 10mm 곡률반경으로 한 바퀴 감을 경우, 벤딩 부가 감쇄는 0.7dB보다 작거나 같고; 1625nm 파장 부위에서, 광섬유를 10mm 곡률반경으로 한 바퀴 감을 경우, 벤딩 부가 감쇄는 1.5dB보다 작거나 같으며; 1625nm 파장 부위에서, 광섬유를 30mm 곡률반경으로 100 바퀴 감을 경우, 벤딩 부가 감쇄는 0.05dB보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유는 1550nm 부위의 유효면적이 110 내지 140㎛2이고; 1550nm 파장부위의 감쇄값은 0.175dB/km보다 작거나 같다.
본 발명의 유익한 효과는, 1. 코어의 상대 굴절률은 순석영 유리의 굴절률과 비슷하며, 보통 SSMF와 비교하여, 레일리 산란에 의한 손실을 충분히 저하시켜 광섬유 감쇄를 낮추기에 유리하고, 내부 코어에 대하여 비교적 낮은 굴절률 분포를 설계함으로써, 광섬유 중 전파되는 광전력 분포를 더욱 평탄하게 만들어, 전체 코어 크기가 불변함을 유지하는 상황에서 유효면적을 증가시키는 동시에, 이러한 광섬유와 보통 SSMF의 용접 손실을 저하시킬 수 있다. 2. 코어는 2층 구조로 나뉘어, 외부 코어는 적합한 상대 굴절률 차이를 유지하고, 내부 코어는 적당히 함몰됨으로써, 양호한 감쇄 특성과 동일한 코어 직경을 유지할 수 있는 동시에, 유효면적을 더욱 증가시킬 수 있으며, 차단파장을 낮출 수도 있다. 3. 비교적 깊은 함몰 클래딩을 구비하여, 유효면적을 증가시킬 수 있는 상황에서, 양호한 광섬유 벤딩 특성을 유지하여 유효면적 증가로 인한 벤딩 성능의 부정적인 영향을 개선하는 동시에, 광전력의 분포 범위를 제한하여, 광섬유 중 전파되는 전력이 광섬유의 코어에 집충되도록 함으로써, 광섬유 감쇄를 낮추는데 유리하다. 4. 코어는 F와 Ge 코도핑으로서, 코어의 점도를 낮출 수 있으며, 코어와 클래딩의 점도 부조화 상황이 개선될 수 있어, 광섬유 감쇄를 낮추기에 유리하다.
본 발명의 광섬유는 보다 큰 유효면적과 상당히 낮은 전송 손실을 구비하기 때문에, 장거리 고속 대용량 통신 시스템에 응용되기에 특히 적합하다. 예를 들어 해저 광케이블 통신시스템 또는 장거리 육지 전송 시스템에 응용될 경우, 상기 광섬유는 G.654 광섬유와 호환성을 유지하는 동시에, 상당히 양호한 벤딩 성능을 구비하여, 광섬유 케이블 및 광섬유 부설 공정에 실제 응용되기에 더욱 유리하다.
도 1은 본 발명의 광섬유의 방사상 단면구조도;
도 2는 본 발명의 광섬유의 굴절률 단면 구조 분포도;
도 3~7은 각각 본 발명의 몇 가지 실시예의 광섬유 굴절률 단면 구조분포도.
이하 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
코어 및 클래딩을 포함하고, 코어는 내부 코어(1) 및 외부 코어(2)로 구분되어, 외부 코어가 내부 코어를 긴밀히 둘러싸며, 그 중 내부 코어의 상대 굴절률 차이는 외부 코어의 상대 굴절률 차이보다 작고, 내부 코어와 외부 코어는 F 도핑 석영유리 또는 F, Ge 코도핑 석영유리로 구성되며, 외부 코어의 상대 굴절률 차이는 클래딩의 상대 굴절률 차이보다 크다. 광섬유 클래딩은 내부 클래딩(3), 함몰 클래딩(4) 및 외부 클래딩(5)의 3 부분을 포함하며, 그 중 함몰 클래딩의 상대 굴절률 차이는 내부 클래딩과 외부 클래딩의 상대 굴절률 차이보다 낮다.
본 발명은 PK2200을 이용하여 광섬유의 광학 파라미터를 테스트하여 확인하였고, 또한 광섬유의 1550nm과 1625nm 파장의 상이한 곡률반경에서의 부가 손실을 테스트하였다. OTDR을 이용하여 광섬유의 감쇄를 측정하였고, 또한 NR9200을 이용하여 광섬유의 굴절률 단면을 테스트하였다.
본 발명에서 제조한 광섬유의 구조 파라미터는 표 1에 도시된 바와 같다.
표 1. 제조된 광섬유의 구조 파라미터
Figure 112015040043348-pct00001
본 발명으로 제조한 광섬유의 주요 성능 파라미터는 표 2와 같다.
표 2. 제조된 광섬유의 주요 성능
Figure 112015040043348-pct00002
이상의 실시예를 통해, 본 발명의 상기 광섬유의 광학 파라미터, 예를 들어 모드필드 직경, 차단파장과 광섬유 손실 등 방면에서 ITU-T G.654 표준의 요구에 완전히 부될 수 있을 뿐만 아니라, 벤딩 성능이 G.654 표준의 요구보다 훨씬 우수하며, 이를 토대로, 유효면적은 120 평방 미크론 이상에 이를 수 있음을 설명할 수 있다. 본 발명은 유효면적과 벤딩 손실 이 두 가지 중요한 성능 지표를 가능한 한 동시에 최적화시킬 수 있다. 이는 장거리 대용량의 고속 전송에 대해 대단히 중요한 의미가 있으며, 동시에 우수한 벤딩 성능을 구비하여, 광섬유 통신 시스템의 부설 원가를 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 부설 공정 중 통신 시스템 성능에 미치는 불량한 영향을 감소시킬 수 있어 중요한 응용가치를 지닌다.

Claims (10)

  1. 코어와 클래딩을 포함하는 일종의 대유효면적 광섬유에 있어서,
    상기 코어는 내부 코어와 외부 코어로 구분되고, 내부 코어의 반경 r1은 1~4㎛이며, 내부 코어의 외부 코어에 대한 상대 굴절률 차이Δ12는 -0.2%≤Δ12<0%이고, 내부 코어의 외부 코어에 대한 상대 굴절률 차이는 반경의 증가를 따라 불변하거나 또는 점진적으로 증가하며, 외부 코어의 반경 r2는 4~7㎛이고, 외부 코어의 상대 굴절률 차이 Δ2는 -0.15%~0.05%이며, 상기 클래딩은 내부 클래딩, 함몰 클래딩 및 외부 클래딩으로 구분되고, 코어 외부가 내부 클래딩으로 감싸지며, 상기 내부 클래딩 반경 r3는 7~20㎛이고, 상대 굴절률 차이 Δ3은 -0.5%~-0.1%이며,상기 함몰 클래딩의 반경 r4는 12~40㎛이고, 상대 굴절률 차이 Δ4는 -1.0%~-0.3%이며, 최외층은 외부 클래딩이고, 상기 외부 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ5는 -0.2%~0.4%이고, 상기 외부 클래딩은 고순도 불소 도핑된 석영유리이며, 외부 클래딩 반경 r5는 62.5±0.5㎛인 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내부 코어의 외부 코어에 대한 상대 굴절률 차이Δ12는 -0.1%≤Δ12<0%인 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 외부 코어의 상대 굴절률 차이 Δ2는 -0.15%~0.05%이고, 외부 코어의 반경 r2는 5~7㎛인 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 내부 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ3은 -0.4%~-0.2%이고, 내부 클래딩의 반경 r3은 10~20㎛인 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.
  5. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 내부 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ3은 -0.35%~-0.1%이고, 내부 클래딩의 반경 r3은 7~15㎛인 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.
  6. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 함몰 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ4의 범위는 -0.6%~-0.3%이고, 함몰 클래딩의 반경 r4는 17~40㎛인 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.
  7. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 함몰 클래딩의 상대 굴절률 차이 Δ4의 범위는 -1.0%~-0.4%이고, 함몰 클래딩의 반경 r4는 10~20㎛인 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.


  8. 삭제
  9. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1550nm 파장 부위의 유효면적은 110~150㎛2이고, 1550nm 파장 부위의 감쇄값은 0.180dB/km보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.
  10. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    1550nm 파장 부위에서, 광섬유를 10mm 곡률반경으로 한 바퀴 감을 경우, 벤딩 부가 감쇄는 0.7dB보다 작거나 같고; 1625nm 파장 부위에서, 광섬유를 10mm 곡률반경으로 한 바퀴 감을 경우, 벤딩 부가 감쇄는 1.5dB보다 작거나 같으며, 1625nm 파장 부위에서, 광섬유를 30mm 곡률반경으로 100 바퀴 감을 경우, 벤딩 부가 감쇄는 0.05dB보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 대유효면적 광섬유.
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