KR101788628B1 - 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 데이터 센터 등 대용량 광전송이 요구되는 곳에서 적용될 수 있는 단위 면적 당 전송용량을 증대하기 위한 리본 광섬유에 대해 개시한다. 본 발명의 가장 큰 특징은 리본 광섬유를 구성하고 있는 각 광섬유가 기존의 광섬유와 비교하여 크게 소형화되었다는 점이다. 기존 광섬유 대비 단면적이 약 40% 이상 감소시킬 수 있기에 비용이 많이 소모되는 추가적인 공간 확보를 최소화하면서도 광 전송망의 전송용량을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 본 발명에 따른 소형화된 광섬유는 기존의 광섬유와 유사한 광전송 특성, 기계적 신뢰도 등을 가지고 있으며 서로 용이한 접속이 가능하므로 호환성이 우수하다. 특히 비교적 제조가 간단한 디프레스드 클래딩 인덱스 프로파일(depressed cladding index profile)을 사용하면서도 각 수치의 최적화를 통해 각종 광섬유의 특성들이 광통신망에 적합하도록 설계하였다. 따라서 기존 광통신망에서 사용되었던 각종 장치 및 광소자를 그대로 사용하면서 전송 용량 증대의 효과를 극대화할 수 있으며, 이는 차세대 광 네트워크 확충을 위한 경제적인 방안이 될 수 있다.

Description

소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유 {Ribbon fiber composed of downsized single-mode fibers}
본 발명은 단위 면적 당 전송용량을 증대시키기 위한 방안에 관한 것으로, 특히 소형화된 단일모드 광섬유와 이로 구성된 광통신용 리본 광섬유 설계에 관한 것이다.
최근 각종 데이터 수요의 급증으로 인해 광통신망에서 감당해야 하는 전송용량이 크게 증가하고 있다. 특히 데이터 센터에서 처리해야 하는 정보의 양이 점차 증가하면서, 기존에 포설되어 있는 광섬유 외에 추가적인 광섬유의 사용이 조만간 요구될 것으로 예상된다. 하지만 데이터 센터와 같은 한정된 공간에서 새롭게 광섬유를 포설하고 관련 설비를 설치하는 것은 공간 활용과 비용 문제에 있어서 어려움이 있을 수 있다. 따라서 최소한의 공간을 사용하면서 전송용량을 극대화시키기 위한 기술들이 주목받고 있다. 대표적인 예로, 멀티코어 광섬유나 멀티모드 광섬유 기반의 공간 다중화 기법을 사용하면 단위면적 당 전송용량을 크게 증가시킬 수 있음이 확인되었다. 멀티코어 광섬유의 경우, 한 가닥의 광섬유 내에 다수의 코어가 설치되어 있으며 각 코어를 통해 서로 다른 신호가 전송되므로 코어 개수에 비례하여 광섬유의 전송용량을 증가시킬 수 있다. 하지만 멀티코어 광섬유에 적합한 커넥터, 증폭기, 분기기 등의 사용이 새롭게 요구되므로 실제 시스템에 적용하기에는 적지 않은 어려움이 있을 것으로 예상된다. 또한 멀티모드 광섬유의 경우는 각 모드의 직교성을 이용하여 모드의 개수에 비례하여 전송용량을 증가시킬 수 있는 장점이 있으나, 멀티코어 광섬유와 마찬가지로 각종 새로운 부품 및 소자들이 요구될 뿐만 아니라 송수신단의 복잡도가 크게 증가한다는 단점이 있다. 이러한 단점들이 극복되고 실제 시스템에 사용되기 위해서는 산업의 성숙도의 개선이 필수적이며, 앞으로도 상당한 기간이 소요될 것으로 예상된다.
따라서 그에 대한 대안으로 현재 널리 사용되고 있는 단일모드 광섬유를 소형화하는 방법이 제안되고 있다. 이는 기존의 단일모드 광섬유와 유사한 형태 및 특성을 가지고 있기 때문에 제조방법이 간단하고, 현재 이미 포설되어 있는 시스템의 구조 및 각종 부품 및 소자의 상당부분을 그대로 활용할 수 있다. 물론 기존 광섬유와의 호환을 위해 새로운 형태의 광커넥터 등의 소자들이 요구될 수 있지만, 멀티코어 광섬유나 멀티모드 광섬유를 사용하는 방법에 비하면 그 복잡도의 증가가 상대적으로 미미하다. 따라서 소형화된 단일모드 광섬유는 멀티코어 광섬유나 멀티모드 광섬유가 활용되기에는 이른 가까운 미래에 공간효율이 높은 시스템 구축을 위한 훌륭한 대안이 될 수 있다. 이러한 방법은 멀티코어 광섬유나 멀티모드 광섬유를 사용하는 방법에 비해 공간 효율의 이득이 적지만, 제조방법이 상대적으로 간단할 뿐만 아니라 이미 포설되어 있는 시스템의 구조 및 각종 부품 및 소자를 많은 경우 그대로 사용할 수 있다. 특히 이러한 소형화된 단일모드 광섬유를 리본 형태로 만들어서 사용하면 기존의 광섬유를 여러 가닥 사용할 때에 비해 공간효율을 상당히 증가시킬 수 있을 것으로 예상된다. 리본 광섬유는 여러 개의 광섬유를 평행하게 나열하고 매트릭스 재료 (matrix material)을 사용해 하나로 묶은 형태를 말한다. 현재 사용되는 각종 광 케이블에는 이러한 리본 형태의 광섬유가 촘촘히 배치된 형태가 많으며, 높은 공간효율과 동시에 다루기 쉽다는 장점을 가지고 있다. 또한 리본 광섬유에 포함된 여러 개의 광섬유를 한 번에 절단 및 접속할 수 있어 유지 보수에 편리하다.
한편, 위와 같이 소형화된 리본 광섬유가 효용성이 있으려면 다음과 같은 사항들이 고려되어야 한다. 먼저 리본 광섬유를 구성하고 있는 각각의 광섬유들이 기존의 단일모드 광섬유와 비교해서 확연히 작아야 한다. 기존의 광섬유는 클래딩의 직경이 125 ㎛, 코팅을 포함한 직경이 250 ㎛이므로 클래딩이나 코팅의 두께를 줄여 소형화된 광섬유를 제작할 수 있어야 한다. 예를 들어 코팅을 포함한 광섬유의 직경을 200 ㎛로 감소시키면 36%의 공간효율 증대효과를 얻을 수 있다. 둘째로 리본을 구성하고 있는 각각의 광섬유는 기존의 단일모드 광섬유와 유사한 광전송 특성을 가져야 한다. 광전송 특성에는 광 손실, 모드필드 직경(mode field diameter, MFD), 차단 파장, 굴절손실 특성 등이 포함된다. 셋째로 기존의 단일모드 광섬유와 유사한 기계적 신뢰도(mechanical reliability)가 요구된다. 마지막으로 기존 단일모드 광섬유 및 단일모드 광섬유 기반 각종 광소자들과의 호환을 위해서 기존 125 ㎛의 클래딩을 가지는 광섬유와의 접속(splicing)이 용이해야 한다.
위와 같은 조건들을 충족시키는 광섬유를 제작하기 위해서는 광섬유의 클래딩 및 코팅 두께의 감소가 광섬유의 특성에 미치는 영향을 분석하여야 한다. 또한, 광섬유 굴절률 프로파일에 따른 각종 광전송 특성 변화에 대한 조사가 필요하다. 최종적으로 이와 같이 분석한 내용을 바탕으로 최소한의 단면적을 가지는 광섬유 및 리본의 설계가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 광통신용 리본 광섬유의 목적은, 기존 단일모드 광섬유와 비교하여 광신호의 전송품질, 기계적 신뢰도, 접속(splicing) 특성이 크게 다르지 않으면서 단위 면적 당 전송 용량을 극대화할 수 있는 수단을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유는, 일렬로 배치되어 있는 복수개의 광섬유를 포함하는 리본 광섬유에 있어서,
상기 각 광섬유는 굴절률이 n1인 코어와, 굴절률이 n2인 내곽 클래딩, 및 굴절률이 n3인 외곽 클래딩을 포함하고,
상기 각 광섬유의 내곽 클래딩의 직경(d2)은 40 ㎛ 내지 50 ㎛ 이며,
Δ2/Δ1의 값은 0보다 크고 0.7보다 작고,
클래딩을 포함한 상기 각 광섬유의 직경은 85 ㎛ 이하이며,
상기 Δ1은 상기 코어와 외곽 클래딩의 굴절률 차이로 Δ1=(n1-n3)/n3로 정의되고, 상기 Δ2는 상기 내곽 클래딩과 외곽 클래딩의 굴절률 차이로 Δ2=(n2-n3)/n3로 정의된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유는 한 층 이상의 코팅으로 덮여 있고, 상기 리본 광섬유에 포함된 광섬유의 개수를 N, 상기 각 광섬유의 직경을 d ㎛라 할 때, 상기 리본 광섬유의 크기는 (d × N + 60) × (N + 60) ㎛2을 넘지 않을 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유의 코어 직경(d1)은 8 ㎛ 내지 10 ㎛ 이며, 상기 코어와 외곽 클래딩의 굴절률 차이(Δ1)는 0.35% 내지 0.41%일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유는 한 층 이상의 코팅으로 덮여 있고, 상기 코팅을 포함한 상기 각 광섬유의 총 직경은 190 ㎛ 이하일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유는 광 손실이 1310 ㎚의 파장 대역에서 0.4 dB/km 보다 작은 값을 가지고, 1550 ㎚의 파장 대역에서 0.35 dB/km 보다 작은 값을 가질 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유의 모드 필드 직경은 1310 ㎚의 파장 대역에서 8.6 ㎛ 내지 9.5 ㎛ 일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유의 케이블 차단 파장은 1300 ㎚ 이하의 값을 가질 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유의 인장 강도는 최소 0.69 GPa의 값을 가질 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유는, 구부림 반경이 37.5 ㎜인 상태에서 100회 회전 시, 1625㎚ 파장 대역에서 0.5 dB 이하의 광 손실을 가질 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유에 있어서, 상기 각 광섬유는, 1550 ㎚ 파장 대역에서 20 ps/㎚/㎞ 이하의 색분산을 갖고, 0.07 ps/㎚2/㎞ 이하의 파장에 따른 색분산 변화율을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 광통신용 리본 광섬유는 대용량 광전송에 적합한 광섬유로, 특히 단위면적 당 전송용량을 극대화시킴으로써 효과적인 전송용량 증대 방안을 제공할 수 있는 효과가 있다. 이뿐 아니라, 많은 비용이 소요되는 데이터 센터 등의 주변 공간 확보에 대한 부담을 덜어줄 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 리본 광섬유를 사용하면, 기존의 광전송 시스템에서 사용되던 각종 장치들이 그대로 호환 가능하기 때문에, 새로운 종류의 광소자 및 장비를 구비할 필요 없이 추가적인 광전송 시스템을 경제적으로 구축할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 단일모드 광섬유의 클래딩 두께에 따른 구부림 손실의 변화 및 ITU-T G.652의 요구조건을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 depressed cladding index profile을 가진 광섬유의 구조를 설명하기 위한 구조도.
도 3의 (a) 및 (b)는 내곽 클래딩 직경에 따른 광섬유의 구부림 손실과 케이블 차단 파장의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 광섬유의 구조에 따른 차단파장의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 ITU-T G.652에 명시된 구부림 손실 조건을 만족하기 위해 요구되는 최소 클래딩 두께의 변화를 광섬유의 구조에 따라 나타낸 그래프.
도 6은 ITU-T G.652에 명시된 모드 필드 직경 조건을 만족하기 위해 요구되는 광섬유 구조를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형화된 광섬유로 이루어진 광통신용 리본 광섬유의 구조 및 설계치를 나타내는 설계도.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
먼저 광통신에 적합한 소형화된 단일모드 광섬유가 실용성이 있으려면 기존의 단일모드 광섬유와 유사한 광전송 특성을 가져야 한다. 기존 단일모드 광섬유의 크기는 클래딩 직경이 125 ㎛, 코팅 직경이 250 ㎛을 가진다. 단일모드 광섬유는 용도에 따라 다양한 요구사항이 확립되어왔으며, 특히 가장 일반적으로 사용되는 광통신용 광섬유에 대한 표준(standards)이 ITU-T G.652에 명시되어 있다. 위의 ㅍ표준(standards)의 주요 항목으로는 광 손실, 모드필드 직경, 케이블 차단파장, 구부림 손실, 인장 강도가 있으며 이와 같은 조건을 만족시키는 것이 광섬유 설계에 있어서 가장 중요한 부분이다.
광섬유의 단면적을 줄이기 위한 방법으로는 클래딩 및 코팅의 두께를 감소시키는 방법이 있다. 클래딩의 굴절률은 코어의 굴절률보다 낮게 설계되기 때문에 빛이 코어를 통해 진행할 수 있도록 한다. 하지만 진행하는 빛의 세기는 코어에만 존재하는 것이 아니라 클래딩에도 일정부분 존재하기 때문에 클래딩의 두께가 감소할수록 클래딩 바깥으로 빠져나갈 확률이 증가하게 된다. 즉, 이로 인해 광 손실이 증가할 수 있다. 특히 광섬유가 구부러진 경우 빛의 분포가 광섬유의 외곽으로 쏠리기 때문에, 클래딩이 얇아질수록 구부러짐으로 인한 광 손실에 더욱 취약해질 수 있다. 도 1은 코어-클래딩 굴절률 차이 Δ=0.35%, 코어의 직경이 9 ㎛ 인 스텝 인덱스(step index) 프로파일의 광섬유를 가정했을 때, 클래딩 두께에 따른 구부림 손실의 변화를 나타낸 것이다. 여기서, 코어-클래딩 굴절률 차이(Δ)는 코어의 굴절률을 n1, 클래딩의 굴절률을 n2라 할 때, Δ=(n1-n2)/n2로 정의된다. 도 1의 결과를 통해 구부림 반경이 감소할수록 구부림 손실이 클래딩의 크기와 관계없이 증가함을 확인할 수 있다. 또한 클래딩의 직경이 감소할수록 작은 구부림에도 손실이 크게 나타났다.
광섬유의 구부림 손실을 억제하기 위한 방법으로는 코어의 굴절률과 클래딩의 굴절률 차이를 높이는 것이 있다. 코어-클래딩 굴절률 차이를 Δ라 하면, Δ가 클수록 광섬유를 진행하는 빛이 코어 쪽으로 더 응집되기 때문에 클래딩 외부로 빛이 잘 빠져나가지 않게 된다. 하지만 Δ를 증가시키는 경우 모드 필드 직경이 크게 감소하는 단점이 있다. 모드 필드 직경은 광섬유를 진행하는 빛이 퍼진 정도를 나타내는 것으로 ITU-T G.652 표준(standards)에는 1310 ㎚ 파장에서 8.6 ~ 9.5 ㎛ 의 값을 가져야된다고 명시되어 있다. 모드 필드 직경이 중요한 이유는 기존의 광섬유와의 호환성 때문이다. 서로 다른 모드 필드 직경을 가지는 두 개의 광섬유를 접속할 때 발생하는 접속 손실은 다음의 [수학식 1]로 나타난다.
Figure 112015127818759-pat00001
여기서 W1, W2는 각 광섬유의 모드 필드 직경, d는 광섬유 접속 오프셋이다.
수학식 1에 나타난 바와 같이, 각 광섬유의 모드 필드 직경이 상이한 경우 접속 손실이 발생하며, 그 차이가 커질수록 접속 손실이 증가함을 확인할 수 있다. 현재 사용되는 광 송수신단 및 각종 광소자는 1310 ㎚ 파장에서 8.6 ~ 9.5 ㎛ 의 모드필드 직경을 가지는 광섬유로 연결되어 있기 때문에, 소형화된 단일 모드 광섬유도 유사한 모드 필드 직경을 갖도록 설계되어야 한다.
위와 같은 목적에 적합한 광섬유의 인덱스 프로파일(index profile)로 스텝 인덱스(step index)가 아닌 디프레스드 클래딩 인덱스 프로파일(depressed cladding index profile)을 사용하였다. 도 2는 디프레스드 클래딩 인덱스 프로파일(depressed cladding index profile)의 구조를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 클래딩은 내곽 클래딩(i)과 외곽 클래딩(o)으로 나뉘며 내곽 클래딩(i)의 굴절률이 외곽 클래딩(o)의 굴절률보다 낮은 것이 특징이다. 이러한 구조를 사용하면 스텝 인덱스 프로파일(step index profile)과 비교했을 때, 동일한 모드 필드 직경에 대해 더 낮은 구부림 손실을 얻을 수 있다. 또한 단면적이 소형화된 광섬유가 겪을 수 있는 기계적 신뢰도에 있어서도 디프레스드 클래딩 인덱스 프로파일(depressed cladding index profile)을 사용하면 이득이 존재한다. 일반적인 스텝 인덱스 프로파일(step index profile)의 경우, 클래딩은 순수한 실리카(pure silica)로 구성되어 있고 코어 부분은 게르마늄(germanium) 도핑을 통해서 굴절률을 증가시킨다. 하지만 이러한 도핑의 차이로 인해 경도 등의 특성이 다르게 되고, 이렇게 특성이 다른 두 개의 물질이 인접하고 있기 때문에 외부 스트레스(stress)에 취약한 성질을 갖게 된다. 하지만 외곽 클래딩은 순수한 실리카(pure silica)를 사용하고 내곽 클래딩은 소량이나마 불소(fluorine) 등의 도핑을 하게 되면 위와 같은 문제점을 완화할 수 있다. 그뿐만 아니라 코어의 도핑 농도를 스텝 인덱스(step index)의 경우보다 상대적으로 낮출 수 있기 때문에 낮은 광 손실을 얻기에도 유리하다. 하지만 주의해야할 부분은 내곽 클래딩의 두께가 충분하지 않으면 내곽 클래딩으로 진행하는 일부분의 빛이 외곽 클래딩 쪽으로 쉽게 빠져나갈 수 있다는 점이다. 이는 외곽 클래딩의 굴절률이 내곽 클래딩의 굴절률보다 높아서 생기는 현상으로 특히 광섬유가 구부러졌을 때 쉽게 발생할 수 있다. 따라서 먼저 굴절률 프로파일에서 내곽 클래딩 직경(d2)의 최적화를 수행하였다. 본 실시예에서는 도 2에 표시된 것과 같이 코어(c)-외곽 클래딩(o) 굴절률 차이를 Δ1, 내곽 클래딩(i)-외곽 클래딩(o) 굴절률 차이를 Δ2라 하면 Δ2=0.1×Δ1가 만족하도록 하였다. 여기서, Δ1와 Δ2는 코어(c)의 굴절률이 n1, 내곽 클래딩(i)의 굴절률이 n2, 외곽 클래딩(o)의 굴절률이 n3일 때, 각각 Δ1=(n1-n3)/n3와 Δ2=(n2-n3)/n3로 정의된다. 도 3의 (a)는 내곽 클래딩 직경(d2)에 대한 광섬유의 구부림 손실을 나타낸다. 여기서 d1, d3, Δ1+Δ2는 각각 9 ㎛, 80 ㎛, 0.44%로 설정하였고, Δ2/Δ1의 값은 0.1이나 0.7인 경우를 고려하였다. 구부림 반경은 ITU-T G.652의 권고치인 37.5 ㎜보다 훨씬 작은 17.5 ㎜로 설정하였다. 또한, 파장은 1625 ㎚로 가정하였다. 먼저 Δ2/Δ1의 값이 0.7인 경우를 살펴보면, 모든 d2의 값에 대해 0.001 dB/turn 보다 작은 구부림 손실을 얻을 수 없었다. 하지만 Δ2/Δ1의 값이 0.7보다 작은 경우에는 특정 d2 값들에 대해서 0.001 dB/turn 이하의 구부림 손실을 얻을 수 있다. 특히 구부림 손실은 d2가 증가할수록 감소하는 것을 볼 수 있으며, Δ2/Δ1의 값이 0.1일 때를 보면 d2가 40 ㎛ 이상일 때 0.001 dB/turn 이하의 구부림 손실을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 광섬유가 단일 모드로 동작하기 위해서는 사용하고자 하는 파장 대역이 광섬유의 차단파장보다 길어야 한다. 차단파장보다 낮은 파장대역에서는 LP01 모드뿐만 아니라 LP11 모드도 존재하기 때문에 모드 분산으로 인해 신호가 심각하게 왜곡될 수 있다. 따라서 소형화된 단일모드 광섬유를 설계할 때는 차단파장이 충분히 낮도록 각종 설계 변수를 정해주어야 한다.
도 3의 (b)는 Δ2/Δ1의 값이 0.1인 경우, d2에 따른 케이블 차단 파장의 변화를 나타낸다. 이때의 각종 변수들의 값은 도 3의 (a)의 결과를 얻기 위해 사용된 값과 동일하다. 케이블 차단 파장은 22 m 길이의 광섬유를 통해 빛이 전송되었을 때, 19.3 ㏈ 이상의 LP11 모드 손실이 발생하는 최단 파장으로 정의된다. 여기서 22 m 길이의 광섬유는 구부림 반경 40 ㎜ 상태에서 2회만큼 감겨있는 광섬유 부분과 구부림 반경 140 ㎜ 상태에서 감겨있는 나머지 광섬유 부분으로 이루어져 있다고 가정한다. d2가 증가할수록 케이블 차단 파장도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 내곽 클래딩 영역이 넓어질수록 LP11 모드와 같은 고차모드들의 유실 (leakage)이 억제되기 때문이다. 도 3의 (b)의 결과를 바탕으로 1300 ㎚ 보다 짧은 케이블 차단 파장을 얻기 위해서는 d2를 50 ㎛ 이하로 설정해주어야 함을 확인하였으며, 본 실시예에서는 낮은 구부림 손실과 짧은 케이블 차단 파장을 동시에 얻기 위해 d2를 45 ㎛ 로 설정해 주었다.
다음으로 d1와 Δ1이 구부림 손실에 미치는 영향을 다양한 d3에 대해 살펴보았다. 도 4는 0.001 dB/turn 이하의 구부림 손실을 얻기 위해 요구되는 최소 d3를 나타낸다. 여기서 구부림 반경은 ITU-T G.652의 권고치인 37.5 ㎜ 보다 작은 17.5 ㎜로 설정하였다. 이는 제작 및 공정 상에서 발생할 수 있는 오차로 인한 구부림 반경의 감소 효과를 감안하기 위함이다. d1이 커질수록, Δ1의 값이 증가할수록 더 얇은 클래딩에 대해서 구부림 손실 조건을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 도 5는 d1과 Δ1이 케이블 차단 파장에 미치는 영향을 보여준다. Δ1이 증가할수록 차단 파장이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 이는 빛이 강하게 코어 쪽으로 모일수록 LP11모드 같은 고차모드들이 상대적으로 높은 파장에서도 도파될 수 있기 때문이다. 또한 d1이 커질수록 차단 파장도 증가함을 확인할 수 있다. 따라서 짧은 차단 파장을 얻기 위해서는 d1과 Δ1의 값을 작게 설계하는 것이 유리하다.
도 6은 모드 필드 직경이 1310 ㎚의 파장 대역에서 8.6 ㎛ 내지 9.5 ㎛ 이 되도록 하는 d1과 Δ1의 값들을 나타낸다. 이 범위는 일반적인 단일모드 광섬유의 모드 필드 직경의 범위이므로 광섬유 간 호환성을 향상시킨다. 도 4, 도 5 및 도 6의 결과로부터 외곽 클래딩의 직경 (d3)을 80 ㎛ 이하로 만들 수 있으며, 케이블 차단 파장이 1300 ㎚ 이하이고, 모드 필드 직경의 요구치를 동시에 만족시킬 수 있는 d1 및 Δ1값은 8 ㎛ ≤ d1 ≤ 10 ㎛ , 0.35% ≤ d1 ≤ 0.41% 의 범위 내에 존재함을 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 코어의 직경이 약 9.0 ㎛, Δ1이 약 0.4%인 경우을 고려하였고, 이때의 외곽 클래딩 직경은 80 ㎛ 이하로 작아질 수 있다. 또한 이 설계치를 가지는 광섬유의 모드 필드 직경(@1550 ㎚)은 일반적인 단일모드 광섬유의 모드 필드 직경과 거의 비슷한 10.3 ㎛임을 확인하였다.
이러한 설계치를 기반으로 단면적이 소형화된 광섬유를 제작하였다. 코팅은 듀얼 레이어 아크릴레이트(dual-layer acrylate)로 구성되었으며 굴절률은 약 1.51~1.53으로 클래딩의 굴절률보다 높게 제작되었다. 제작된 광섬유의 특성 및 ITU-T G.652 표준(standards)과의 비교가 표 1에 정리되어 있다.
측정치 ITU-T G.652 표준
Core diameter 9.04 ㎛ -
Cladding diameter 82.49 ㎛ 125.00 ㎛
Primary coating diameter 156.80 ㎛ -
Secondary coating diameter 188.43 ㎛ 250.00 ㎛
Attenuation (㏈/㎞) 0.225 (@1550 ㎚)
0.345 (@1310 ㎚)		 <0.350 (@1550 ㎚)
<0.400 (@1310 ㎚)
Mode field diameter (@1310 ㎚) 9.325 ㎛ 8.6 ~ 9.5 ㎛
Cable cutoff wavelength 1290.89 ㎚ <1260.00 ㎚
Macro bending loss (@1625 ㎚) ~0.002 dB/turn <0.005 dB/turn
Tensile strength ~2.5 kgf (4.58 GPa) >0.69 GPa
위의 표에서 매크로 구부림 손실은 측정치의 경우 16 ㎜의 구부림 반경에서의 값이며, ITU-T G.652 표준(standards)의 경우 32.5 ㎜의 구부림 반경에서의 값이다. 더 심한 구부림 환경에서도 ITU-T G.652 표준(standards)에 명시된 허용치인 0.005 dB/turn 보다 더 낮은 구부림 손실을 얻을 수 있었다. 광섬유의 크기는 일반적인 250 ㎛ 코팅 직경을 가지는 단일모드 광섬유와 비교하여 약 40% 감소하였음을 볼 수 있다. 이와 동시에 케이블 차단파장을 제외한 모든 항목에서 ITU-T G.652 표준(standards)을 만족함을 확인하였다. 케이블 차단파장의 경우는 그럼에도 불구하고 1300 ㎚ 보다 작은 값을 가지므로 광대역 광전송이 가능하다.
위와 같은 단면적이 소형화된 단일모드 광섬유를 일렬로 배치하여 광케이블 및 각종 커넥터에 유용하게 사용될 수 있는 리본 광섬유를 만들 수 있다. 일반적으로 사용되는 4개, 8개, 12개 광섬유 기반의 리본이 제작 가능하다. 도 5은 한 가지 예로 12개 광섬유 기반의 리본 광섬유의 설계치를 나타낸 것이다. 각 광섬유를 부착시키기 위한 리본 재킷의 두께는 약 25 ㎛가 되도록 설계하였다. 이는 광섬유가 균일하게 배치되는 않은 상황을 감안하여 설정된 것이다. 이러한 형태로 제작된 광섬유 리본의 크기는 가로 2320 ㎛, 세로 240 ㎛로 측정되었으며, 단면적은 약 556,800 ㎛2로 나타났다. 일반적으로 사용되는 상용 12가닥 광섬유 리본의 단면적은 약 976,500 ㎛2임을 감안하면, 제작된 광섬유 리본을 사용함으로써 약 75% (=976,500÷556,800-1)의 공간효율 이득을 얻을 수 있다.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 단면적이 소형화된 광섬유 및 이로 구성된 광통신용 리본 광섬유가 구현될 수 있다.
c : 코어 i : 내곽 클래딩
o : 외곽 클래딩

Claims (10)

  1. 일렬로 배치되어 있는 복수개의 광섬유를 포함하는 리본 광섬유에 있어서,
    상기 각 광섬유는 굴절률이 n1인 코어와, 굴절률이 n2인 내곽 클래딩, 및 굴절률이 n3인 외곽 클래딩을 포함하고,
    상기 각 광섬유의 내곽 클래딩의 직경(d2)은 40 ㎛ 내지 50 ㎛ 이며,
    Δ2/Δ1의 값은 0보다 크고 0.7보다 작고,
    클래딩을 포함한 상기 각 광섬유의 직경은 85 ㎛ 이하이며,
    상기 Δ1은 상기 코어와 외곽 클래딩의 굴절률 차이로 Δ1=(n1-n3)/n3로 정의되고, 상기 Δ2는 상기 내곽 클래딩과 외곽 클래딩의 굴절률 차이로 Δ2=(n2-n3)/n3로 정의되며,
    상기 각 광섬유의 코어 직경(d1)은 8 ㎛ 내지 10 ㎛ 이고, 상기 코어와 외곽 클래딩의 굴절률 차이(Δ1)는 0.35% 내지 0.40%인, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 광섬유는 한 층 이상의 코팅으로 덮여 있고, 상기 리본 광섬유에 포함된 광섬유의 개수를 N, 상기 코팅을 포함한 상기 각 광섬유의 직경을 d ㎛라 할 때, 상기 리본 광섬유의 크기는 (d × N + 60) × (N + 60) ㎛2을 넘지 않는, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 광섬유는 한 층 이상의 코팅으로 덮여 있고, 상기 코팅을 포함한 상기 각 광섬유의 총 직경은 190 ㎛ 이하인, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각 광섬유는 광 손실이 1310 ㎚의 파장 대역에서 0.4 dB/km 보다 작은 값을 가지고, 1550 ㎚의 파장 대역에서 0.35 dB/km 보다 작은 값을 갖는, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각 광섬유의 모드 필드 직경은 1310 ㎚의 파장 대역에서 8.6 ㎛ 내지 9.5 ㎛ 인, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각 광섬유의 케이블 차단 파장은 1300 ㎚ 이하의 값을 갖는, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 각 광섬유의 인장 강도는 최소 0.69 GPa의 값을 갖는, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 각 광섬유는, 구부림 반경이 37.5 ㎜인 상태에서 100회 회전 시, 1625㎚ 파장 대역에서 0.5 dB 이하의 광 손실을 갖는, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 각 광섬유는, 1550 ㎚ 파장 대역에서 20 ps/㎚/㎞ 이하의 색분산을 갖고, 0.07 ps/㎚2/㎞ 이하의 파장에 따른 색분산 변화율을 갖는, 소형화된 단일모드 광섬유로 구성된 리본 광섬유.
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