KR101731744B1

KR101731744B1 - 대유효면적을 갖는 단일모드 광섬유

Info

Publication number: KR101731744B1
Application number: KR1020157010693A
Authority: KR
Inventors: 룬한 왕; 서엉야 룽; 멍시운 순; 훙이연 저우; 밍펑 마우; 즈으융 왕
Original assignee: 양쯔 옵티컬 파이버 앤드 케이블 조인트 스톡 리미티드 컴퍼니
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2017-04-28
Also published as: CN102944910A; KR20150063110A; US9207396B2; WO2014067292A1; US20150301276A1; CN102944910B; JP2015536475A; JP6084698B2

Abstract

본 발명은 코어와 외부 클래딩을 포함하는 일종의 대유효면적을 갖는 광섬유에 관한 것으로서, 코어 외측에 중간 클래딩이 감싸지고, 중간 클래딩 외측에 함몰 클래딩이 설치되며, 상기 코어는 제1 코어 및 제2 코어로 나뉘고, 상기 제1 코어의 반경 r₁은 1.5㎛~5㎛이고, 상대굴절률 차이

는 0.05%~0.22%이며, 상기 제2 코어 반경의 단변 방사상 폭(r₂-r₁)은 1.5㎛~5㎛이고, 상대굴절률 차이

는 0.15%~0.34%이며, 또한 제1 코어의 상대굴절률 차이

는 제2 코어의 상대굴절률 차이

보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명은 광섬유 굴절률 단면의 합리적인 설계를 통해 보다 큰 유효면적을 획득하고, 차단파장과 벤딩 성능 등 방면에서 비교적 양호한 절충을 얻었다. 제조된 광섬유는 바람직한 파라미터 범위에서, 120㎛² 이상의 유효면적에 이를 수 있다. 본 발명의 광섬유는 고속, 대용량의 장거리 전송 시스템 및 장거리 무중계 전송 시스템에 적용될 수 있다.

Description

대유효면적을 갖는 단일모드 광섬유{SINGLE-MODE FIBER WITH LARGE EFFECTIVE AREA}

본 발명은 일종의 단일모드 광섬유에 관한 것이다. 상기 광섬유는 비교적 낮은 광케이블 차단파장, 비교적 양호한 벤딩 성능을 유지하는 동시에, 비교적 큰 유효면적을 지녀 대용량, 고속 장거리 전송 시스템에 응용되기에 적합하다.

광섬유 전송기술이 부단히 발전함에 따라, 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)의 개발과 파장 분할 다중 기술(WDM)이 90년대 중반에 응용되었다. WDM 설비 시스템에서는 합파기와 분파기 사용 시의 삽입 손실이 비교적 크기 때문에, 종종 EDFA를 이용하여 증폭 보상을 실시하는데, 광전력을 증폭시킴과 동시에, 광섬유 중의 비선형 효과도 대폭 증가하게 된다. 광의 비선형 효과는 4광파 혼합, 자체위상변조 및 교차위상변조 등을 포함하며, 상기 효과는 광전송의 용량과 거리를 제한한다. 따라서, 대용량, 고속의 전송 시스템에서는 전송 광섬유의 성능에 대한 요구가 더욱 높아졌으며, 광섬유 성능의 개선을 통해 비선형 효과를 낮추는 목적을 이룰 수 있다.

고출력 밀도 시스템을 이용할 경우, 비선형 계수는 비선형 효과로 인한 시스템 성능의 우열을 평가하기 위한 파라미터로서, n2/A_eff로 정의된다. 그 중, n2는 전송 광섬유의 비선형 굴절지수이고, A_eff는 전송 광섬유의 유효면적이다. 전송 광섬유의 유효면적을 증가시키면 광섬유 중의 비선형 효과를 낮출 수 있다.

광섬유의 유효면적은 모드필드 분포와 관련이 있으며, 국제전기통신연합 전기통신 표준화부문 ITU-T의 G.650.2 표준은 이들 관계에 관한 경험 공식을 제공하였다.

(1)

그 중, k는 보정계수로서, 상이한 굴절률 단면을 갖는 광섬유의 경우, 상기 값의 범위에 차이가 있다. 공식 중

이며, MFD는 광섬유의 모드필드 직경이다. 광섬유 설계 시, MFD를 확대시키면, A_eff 역시 따라서 증가하게 된다는 것은 어렵지 않게 판단할 수 있다. 본 분야의 숙련된 기술자라면, MFD의 증가는 광섬유 코어의 굴절률과 직경을 변경함으로써 구현될 수 있음을 알 것이다. 그러나 MFD의 증가는 또한 기타 차단 파장 및 벤딩 성능과 같은 광섬유 성능의 악화도 초래하기 쉽다.

이론적으로, 광섬유의 벤딩성능은 광섬유의 MAC값과 정비례 관계를 이루어, MAC값이 클수록, 벤딩성능은 떨어진다. 소위 MAC값이란, 전송 광섬유의 모드필드 직경과 차단파장 두 파라미터의 비교값이다. 대유효면적 광섬유가 응용 파장 윈도우에서 단일모드 상태의 전송을 보이도록 보장하기 위해서는 차단파장이 지나치게 높으면 안 되며, 예를 들어 ITU-T G.654 표준에서 광섬유의 케이블 차단파장은 1530nm을 초과할 수 없도록 건의한 바와 같다. 이와 같이, 차단파장이 일정한 수치 범위 내로 제한된 경우, MFD의 증대는 분명히 MAC값의 증대를 가져올 수 있으며, 이 경우 광섬유의 벤딩 성능의 악화를 초래할 수 있다. 따라서, 대유효면적 광섬유 설계의 경우, 관건은 각 광섬유 파라미터의 균형을 맞추어 각 광섬유 성능의 합리적인 절충을 획득하는데 있다.

특허 CN102313924 A는 유효면적이 150㎛² 이상인 광섬유를 설명하였다. 상기 발명은 광섬유 클래딩 외부에 하나의 함몰 클래딩을 추가하여 그 벤딩 성능의 악화를 억제하였다. 함몰 클래딩이 벤딩 성능을 개선하는 정도는 그 부피의 크기와 관련이 있다. 유효면적이 큰 광섬유일수록, 그 함몰 클래딩의 부피가 커진다. 상기 방법의 단점은 함몰 클래딩의 부피 증가가 차단파장의 증대를 초래한다는데 있기 때문에, 상기 특허는 보다 큰 유효면적을 획득하기 위하여 차단파장에 대한 제한을 넓히는 방안을 제시하였고, 따라서 그 실시예에서는 다수의 샘플의 광케이블 차단파장이 1530nm를 초과하고, 심지어 1800nm 이상에 이르는 경우도 있다. 당연히, 이러한 광섬유들은 1550nm 윈도우의 광범위한 응용을 완전히 만족시킬 수 없다.

광섬유 코어 부분에 일종의 함몰 구조를 도입할 경우, 광섬유 중 빛이 전파되는 전기장 밀도 분포를 변경할 수 있어, 그 분포 곡선이 편평해진다. 이는 만약 설계가 합리적이라면, 동일한 모드필드 직경이라는 전제 하에, 코어에 함몰 구조 단면을 갖는 광섬유가 보통 계단형 단면을 갖는 광섬유보다 더욱 큰 유효면적을 구비할 가능성이 있음을 의미한다. 즉 공식 (1)에서, 코어에 함몰 구조 단면을 갖는 광섬유는 더욱 큰 k값을 나타낼 수 있으며, 그렇다면 MFD의 증가가 제한적인 상황에서, 이러한 구조는 유효면적을 진일보 증대시키는데 유익한 작용이 있다고 이해할 수 있다. 문헌 "Non-zero dispersion-shifted optical fiber with ultra-large effective area and low dispersion slope for terabit communication system"(Optics Communication 236(2004)P69-74)은 일종의 코어 함몰 구조를 갖는 비영 분산 천이 광섬유 단면을 제시하였다. 상기 문헌은 함몰 구조의 코어를 갖는 광섬유의 전기장 강도 분포가 종래의 계단형 비영 분산 천이 광섬유의 전기장 강도 분포와 다르다고 설명함과 아울러, 이러한 차이는 전자(前者)의 유효면적이 뚜렷하게 증대되는 주요 원인이라고 판단하였다.

미국 특허 US 6904218 B2는 일종의 대유효면적 광섬유를 제시하였으며, 상기 광섬유의 구조는 코어 영역, 함몰 영역, 클래딩 영역을 포함한다. 그 실시예에서는 일종의 코어 영역이 포물선 형상인 굴절률 분포를 열거하였다. 이를 토대로 소정의 변화를 실시하여--코어 영역의 포물선 형상을 코어의 중심축 바깥으로 이동시켜, 변형 후의 단면이 유효면적을 증대시키는 면에 어느 정도의 효과를 나타내었다. 그러나 상기 특허에 열거된 실시예 중의 광섬유 파라미터는 1550nm 파장에서의 유효면적이 131.2㎛² 에 불과하다.

따라서, 대유효면적 광섬유의 설계가 직면한 도전은 합리적인 광섬유 단면 설계를 통해, 차단파장, 벤딩 성능 등 방면에서 양호한 절충을 이룸으로써, 전송 광섬유의 유효면적을 최대한 높여 비선형 효과를 낮추는 목적을 구현하고, 광섬유를 대용량, 고속 전송 시스템에 더욱 광범위하게 응용될 수 있도록 하는 것이다.

다음은 본 발명과 관련된 약간 용어의 정의와 설명이다.

상대굴절률 차이

광섬유 코어축선으로부터 계산하기 시작하며, 굴절률의 변화에 따라 축선에 가장 근접한 층을 제1 코어라 정의하고, 광섬유의 최외층은 즉 순수이산화규소층으로서 광섬유 클래딩이라 정의한다. 제1 코어로부터 광섬유 클래딩까지 순차적으로 제1 코어, 제2 코어이며, 이와 같이 유추한다.

광섬유 각 층의 상대굴절률

은 이하 방정식으로 정의한다.

그 중

는 코어의 굴절률이고,

는 클래딩의 굴절률, 즉 순수이산화규소의 굴절률이다.

광섬유의 유효면적 A_eff:

그 중 E는 전파와 관련된 전기장이고, r은 축심에서 전기장

분포점 사이의 거리이다.

광케이블 차단파장 λ_cc;

IEC(국제 전기기술 위원회) 표준 60793-1-44에서는 광케이블 차단파장 λ_cc은 광신호가 광섬유 중에서 22미터만큼 전파된 후 더이상 단일모드 신호로써 전파를 진행하지 않는 파장이라고 정의하였다. 테스트 시 광섬유에 반경 14cm로 한 바퀴 감고, 반경 4cm로 두 바퀴 감아 데이터를 획득하였다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술문제는 대유효면적을 갖는 광섬유를 설계하여, 광섬유 굴절률 단면의 합리적인 설계를 통해 보다 큰 유효면적을 획득하고, 차단파장과 벤딩 성능 등 방면에서 양호한 절충을 획득하고자 하는데 목적이 있다.

본 발명이 상기 문제를 해결하기 위해 채택한 기술방안은 다음과 같다. 코어와 외부 클래딩을 포함하며, 코어 외측에 중간 클래딩이 감싸지고, 중간 클래딩 외측에 함몰 클래딩이 설치되며, 상기 코어는 제1 코어 및 제2 코어로 나뉘고, 상기

의 제

번째 코어 반경 r₁은 1.5㎛~5㎛이고, 상대굴절률 차이는 0.05%~0.22%이며, 상기 제2 코어 반경의 단변 방사상 폭(r₂-r₁)은 1.5㎛~5㎛이고, 상대굴절률 차이

는 0.15%~0.34%이며, 또한 제1 코어의 상대굴절률 차이는 제2 코어의 상대굴절률 차이보다 작아, 즉

이며, 상기 중간 클래딩의 단변 방사상 폭(r₃-r₂)은 2.5㎛~6㎛이고, 상대굴절률 차이는 -0.10%~0.10%이며, 상기 함몰 클래딩의 단변 방사상 폭(r₄-r₃)은 2.5㎛~10㎛이고, 상대굴절률 차이

는 -1.5%~-0.2%이다.

상기 방안에 따르면, 상기 외부 클래딩은 순수이산화규소층이다.

상기 방안에 따르면, 상기 제1 코어의 반경 r₁은 2.5㎛~4㎛인 것이 바람직하다.

상기 방안에 따르면, 상기 제2 코어 반경의 단변 방사상 폭(r₂-r₁)의 바람직한 범위는 2㎛~4.5㎛이고, 더욱 바람직한 범위는 2.5㎛~4㎛이다.

상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1550nm 파장에서의 유효면적은 120㎛²~150㎛²이며, 150㎛²~180㎛²인 것이 더욱 바람직하다.

상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 케이블 차단파장은 1530nm보다 작거나 또는 같다.

상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1550nm 파장 부위에서의 분산은 22ps/nm*km보다 작거나 같고, 1550nm 파장 부위에서의 분산 기울기는 0.070ps/nm^2*km보다 작거나 또는 같다.

상기 방안에 따르면, 상기 광섬유는 1625nm 파장 부위에서 30mm의 곡률반경에 대한 벤딩 손실은 0.05dB보다 작거나 또는 같다.

상기 방안에 따르면, 상기 코팅되지 않은 광섬유 나선의 외경은 125㎛이다.

본 발명의 유익한 효과는 1. 광섬유의 코어를 함몰 클래딩 구조로 설계하여, 광섬유 중 광이 전파되는 전기장 밀도 분포를 편평화시켰기 때문에, 유효면적을 더욱 증대시키는 작용을 일으킬 수 있으며, 제조되는 광섬유는 120㎛² 이상의 유효면적을 구비하고, 바람직한 파라미터 범위에서, 150㎛² 이상의 유효면적에 이를 수 있으며, 비교적 큰 광섬유 유효면적은 전송 광섬유 중의 비선형 효과를 효과적으로 낮출 수 있다. 2. 본 발명의 광섬유는 응용 주파대에서의 차단파장, 벤딩 손실, 분산 등 종합 성능 파라미터가 양호하고, 충분히 작은 케이블 차단 파장은 상기 광섬유가 전송에 응용될 때 광신호의 단일모드 상태를 보장할 수 있다. 3. 비교적 큰 유효면적을 갖는 동시에, 광섬유는 여전히 비교적 낮은 벤딩손실을 구비한다. 4. 본 발명의 광섬유는 고속, 대용량의 장거리 전송 시스템 및 장거리 무중계 전송 시스템에 적용 가능하다.

도 1은 본 발명의 광섬유의 코어 굴절률 단면 구조 분포도.

이하 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 광섬유는 코어, 클래딩 및 외부 클래딩을 포함한다. 코어는 또한 제1 코어와 제2 코어로 나뉘고, 클래딩은 중간 클래딩과 함몰 클래딩으로 나뉜다. 안에서 밖으로, 순차적으로 제1 코어, 제2 코어, 중간 클래딩, 함몰 클래딩 및 외부 클래딩이 분포된다. 상기 제1 코어의 반경은 r₁이고, 상대굴절률 차이는

이며, 상기 제2 코어의 반경은 r2이고, 상대굴절률 차이는

이며, 상기 중간 클래딩의 반경은 r3이고, 상대굴절률 차이는

이며, 상기 함몰 클래딩의 반경은 r4이고, 상대굴절률 차이는

이며, 외부 클래딩은 순수이산화규소층이다.

본 분야의 기술자라면, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다는 전제 하에, 다양한 공지의 심봉 제조공정, 예를 들어: PCVD, MCVD, OVD, VAD, APVD 등 공정을 통해 본 발명의 굴절률 단면 특징에 부합하는 광섬유 프리폼을 제작한 다음, 연신 또는 드로잉 공정을 통해 최종적으로 프리폼을 광섬유로 제작할 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위의 굴절률 분포 형상을 구현할 때, 혹은 게르마늄 도핑 재료, 혹은 불소 도핑 재료, 혹은 게르마늄 불소 코도핑재료인 상이한 도핑 재료를 사용해도 된다.

표 1은 본 발명의 실시예의 굴절률 단면 파라미터를 열거한 것이고, 표 2는 표 1의 상기 광섬유 샘플에 대응하는 광섬유 성능 파라미터이다.

표 1은 본 발명의 실시예의 광섬유 단면 파라미터

단면파라미터 분포	Δn1	Δn2	Δn3	Δn4	r1	r2	r3	r4	r2-r1	r3-r2	r4-r3
단면파라미터 분포	%	%	%	%	㎛	㎛	㎛	㎛	㎛	㎛	㎛
1	0.165	0.271	0.05	-0.42	3.07	5.87	10.39	14.08	2.80	4.52	3.69
2	0.182	0.260	0	-0.60	3.50	6.35	10.77	18.97	2.85	4.42	8.20
3	0.135	0.023	0.06	-0.50	3.18	6.30	9.17	16.73	3.12	2.87	7.56
4	0.110	0.185	-0.02	-0.80	1.55	6.38	9.91	14.20	4.83	3.53	4.29
5	0.212	0.280	-0.01	-0.95	5.00	7.22	11.48	16.40	2.12	4.26	4.92
6	0.152	0.322	-0.05	-0.60	3.36	6.61	9.40	12.84	3.25	2.79	3.44
7	0.105	0.180	-0.04	-1.30	3.84	7.80	12.04	15.66	3.96	4.24	3.62
8	0.142	0.214	0.03	-0.35	2.5	6.30	10.65	19.77	3.8	4.35	9.12

표 2는 본 발명의 실시예의 광섬유 성능 파라미터

광섬유 파라미터	MFD A_eff	λ_cc	D	Ds	Att	B
광섬유 파라미터	㎛㎛²	nm	ps/nm^2*km	ps/nm^2*km	dB/km	dB
1	13.1 154	1472	20.8	0.065	0.182	0.04
2	12.4 138	1409	19.6	0.062	0.181	0.01
3 4	12.8 147 13.6 157	1457 1435	20.8 20.9	0.068 0.058	0.183 0.182	0.02 0.02
5	12.7 149	1443	21.4	0.064	0.183	0.01
6	12.3 132	1332	20.5	0.060	0.185	0.05
7	14.4 179	1517	21.6	0.066	0.184	0.02
8	13.7 163	1486	19.4	0.058	0.183	0.03

그 중, MFD는 광섬유의 1550nm 파장에서의 모드필드 직경이고, A_eff는 광섬유의 1550nm 파장에서의 유효면적이며, λ_cc는 광케이블의 차단파장이고, D는 1550nm 파장 부위의 분산값이며, Ds는 1550nm 파장부위의 분산 기울기이고, Att는 1550nm 부위의 감쇄값이며, B는 광섬유의 1625nm 부위에서의 매크로 벤딩 손실이다(본 발명에서, 광섬유의 매크로 벤딩 손실은 직경이 60mm인 원통에 100바퀴를 감은 후 측정한 부가 감쇄이다).

Claims

코어와 외부 클래딩을 포함하는 일종의 대유효면적을 갖는 광섬유에 있어서,
코어 외측에 중간 클래딩이 감싸지고, 중간 클래딩 외측에 함몰 클래딩이 설치되며, 상기 코어는 제1 코어 및 제2 코어로 나뉘고, 상기 제1 코어의 반경 r₁은 1.5㎛~5㎛이고, 상대굴절률 차이
는 0.05%~0.22%이며, 상기 제2 코어 반경의 단변 방사상 폭(r₂-r₁)은 1.5㎛~5㎛이고, 상대굴절률 차이
는 0.15%~0.34%이며, 또한 제1 코어의 상대굴절률 차이
는 제2 코어의 상대굴절률 차이
보다 작아, 즉
이며, 상기 중간 클래딩의 단변 방사상 폭(r₃-r₂)은 2.5㎛~6㎛이고, 상대굴절률 차이
는 -0.10%~0.10%이며, 상기 함몰 클래딩의 단변 방사상 폭(r₄-r₃)은 2.5㎛~10㎛이고, 상대굴절률 차이
는 -1.5%~-0.2%이고, 상기 광섬유의 1550nm 파장에서의 유효면적은 120㎛²~150㎛²인 것을 특징으로 하는 대유효면적을 갖는 광섬유.
제 1항에 있어서,
상기 외부 클래딩은 순수이산화규소층인 것을 특징으로 하는 대유효면적을 갖는 광섬유.
제 1항 또는 2항에 있어서,
상기 제1 코어의 반경 r₁은 2.5㎛~4㎛인 것을 특징으로 하는 대유효면적을 갖는 광섬유.
제 3항에 있어서,
상기 제2 코어 반경의 단변 방사상 폭(r₂-r₁)은 2㎛~4.5㎛인 것을 특징으로 하는 대유효면적을 갖는 광섬유.
삭제
제 1항 또는 2항에 있어서,
상기 광섬유의 케이블 차단파장은 1530nm보다 작거나 또는 같은 것을 특징으로 하는 대유효면적을 갖는 광섬유.
제 1항 또는 2항에 있어서,
상기 광섬유의 1550nm 파장 부위에서의 분산은 22ps/nm*km보다 작거나 같고, 1550nm 파장 부위에서의 분산 기울기는 0.070ps/nm^2*km보다 작거나 또는 같은 것을 특징으로 하는 대유효면적을 갖는 광섬유.
제 1항 또는 2항에 있어서,
상기 광섬유의 1625nm 파장 부위에서 30mm의 곡률반경에 대한 벤딩 손실은 0.05dB보다 작거나 또는 같은 것을 특징으로 하는 대유효면적을 갖는 광섬유.