KR101927388B1 - 삼중 피복 단일 모드 광섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 중간 피복(13)은 조립되는 종방향 요소(13A)들에 의해서 형성되며, 굴절율이 단일 모드 코어의 굴절율과 많아야 10^-3 만큼 다른 제1 광학 물질; 굴절율이 상기 단일 모드 코어의 굴절율 보다 낮고 적어도 10^-3 만큼 다른 제2 광학 물질을 포함한다.

Description

삼중 피복 단일 모드 광섬유{Triple-sheathed monomode optical fiber}

본 발명은 단일 모드 광 방출(monomode light emission)을 위하여 설계된 활성 광섬유(active optical fibre)에 관련된다.

배타적인 것은 아니지만, 이러한 유형의 광섬유는 비선형 효과의 영향을 최소화하면서 높은 굴절력을 수송하거나 증폭시키는 것이 중요한 응용분야에서 사용될 수 있다.

이중 피복(double-sheathed)의 단일 모드 광섬유는 이미 알려져 있다. 이러한 광섬유는 희토류(예를 들어, 이테르븀(ytterbium))가 첨가된 (예를 들어 알루미노 규산염(aluminosilicate)으로 만들어진)유리 코어로 만들어지며, 초기 광 빔의 단일 모드 증폭에 사용된다. 이러한 코어는 코어보다 큰 치수의 다중 모드 펌핑 피복(예를 들어 실리카)에 의해서 직접 둘러싸이며, 이는 다중 모드 펌프의 상이한 모드들의 전파를 허용한다. 유리, 폴리머, 또는 공기 셀(air cell)로 만들어지며 굴절율이 코어 및 다중 모드 펌핑 피복의 굴절율보다 훨씬 낮은 외부 피복은, 상기 다중 모드 펌핑 피복을 둘러싼다.

이러한 유형의 이중 피복 단일 모드 광섬유는 큰 표면 면적을 가지는 고 출력 레이저 빔의 생성을 가능하게 한다. 이것은 또한 종래의 단일 모드 펌핑에 비교하여 더 높은 펌핑 출력(그리고 단일 모드 증폭)의 결과를 가져온다.

상기 언급된 유형의 단일 모드 광섬유의 증폭 효율성을 향상시키기 위하여 단일 모드 코어에 의해 다중 모드 펌핑 피복으로부터의 빛의 흡수율을 향상시키는 것이 중요하며, 이는 또한 도핑율(doping rate)과 코어의 직경에 의존한다. 그러나, 이러한 유형의 향상은 광섬유의 단일 모드 특성(이는 또한 단일 모드 코어와 다중 모드 펌핑 피복 사이의 굴절율의 차이에 의존한다), 물질의 양자 효율성(이는 동반 도핑 물질(co-doping agents) 및 호스트 매트릭스(host matrix)에 의존한다) 및 상기 광섬유의 가이딩 특성(guiding property)을 유지하면서 수행되어야 한다.

그러나, 섬유의 증폭 효율성을 향상시킨다는 관점에서 (예를 들어 이테르븀의) 도핑율이 단일 모드 코어에서 증가하면, 결과적으로 (가능한 함께 첨가되는 물질에 따라 더 높게 또는 더 낮게) 코어의 굴절율이 증가하며, 그러면 상기 코어와 다중 모드 펌핑 피복 사이의 굴절율의 차이의 증가의 결과를 가져온다. 그러므로, 이러한 증가의 효과를 보상하고 코어의 단일 모드 특징을 유지하기 위해서, 직경이 감소되어야 하고 이는 실제로 광섬유의 증폭 효율성을 감소시킨다. 이는 섬유의 증폭 효율성이 도핑율 또는 코어 직경의 적절한 선택에 의해서 향상될 수 없음을 의미한다.

증폭 효율성을 향상시키기 위한 첫 번째 방안은 굴절율에 대한 단일 모드 코어의 도핑 효과를 감소시키는 것이다. 이에 따르면 이테르븀은 불소나 붕소와 같은 다른 도핑 물질과 연계될 수 있는데, 이는 같은 도핑율에서 이테르븀으로 도핑된 코어에 비교하여 이러한 방식으로 도핑된 코어의 굴절율을 감소시키는 효과를 가지며, 그리하여 코어와 다중 모드 펌핑 피복 사이의 굴절율의 차이를 현저하게 증가시킴이 없이 코어의 도핑율을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

그러나 동반 도핑 물질로서, 불소 및 붕소는, 이테르븀과 같은 것으로 매우 고도의 도핑을 함으로써 생성되는 굴절율의 증가를 완전하게 보상하지 않는다. 결과적으로 코어에서의 광-물질 상호작용의 저하가 일어나고, 이는 광-물질 상호작용의 길이를 증가시킬 것을 요구하는데, 그러나 이것은 한편으로는 비선형 효과의 출현을 야기하고, 다른 한편으로는 (특히 코어와 피복 사이의 굴절율의 차이가 매우 낮기 때문에 구부러질 수 없는 큰 코어 치수를 가지는 광섬유에 대해서) 광원의 소형화에서 손실이 있다. 더 나아가 매우 높은 이테르븀 도핑에 대해서는 전체 코어에 걸쳐서 균일한 굴절율 프로파일을 얻기 매우 어렵고 이는 방출되는 레이저 빔의 양호한 품질 통제를 달성하는 것을 어렵게 할 수도 있다.

증폭 효율성을 향상시키는 두 번째 해결책은 단일 모드 코어를 직접 둘러싸는 피복(sheath)의 굴절율을 증가시키기 위하여, 미국 특허 6,841,053에 설명된 것과 같은 삼중 피복의 단일 모드 광섬유를 사용하는 것이다. 이를 위하여 중간 피복이 코어와 다중 모드 펌핑 피복 사이에 삽입되어 광섬유는 중심으로부터 주변부로 향하면서 다음의 것들로 이루어진다.

- 희토류로 도핑된 단일 모드 코어 (예를 들어 이테르븀으로 도핑된 알루미노 규산염의);

- 굴절율이 상기 단일 모드 코어의 굴절율과 약간 다른(예를 들어 10^-3 또는 그 미만), 광학적으로 비활성인 (비 증폭) 중간 피복 (예를 들어 게르마늄으로 도핑된 실리카의);

- 다중 모드 펌핑 피복 (예를 들어 실리카의); 및

- 외부 피복 (굴절율이 코어, 중간 피복, 및 다중 모드 펌핑 피복의 굴절율 보다 훨씬 낮다).

이러한 삼중 피복 광학 섬유 아키텍처는 단일 모드 코어와 상기 코어를 직접 둘러싸는 피복 사이에서 적절한 굴절율의 차이를 유지하면서 불소 및 붕소에 의지함이 없이 이테르븀 도핑율(그리고 코어에 의한 흡수율)이 증가되는 것을 허용한다. 사실상 중간 피복(예를 들어 게르마늄으로 도핑된 실리카)의 굴절율은, 단일 모드 코어의 도핑율(그리고 굴절율)을 증가 시키면서도, 코어의 굴절율과 중간 피복의 굴절율 사이의 차이가 가능한 한 낮게 유지되도록, 게르마늄 도핑율의 적절한 선택에 의해서 조정될 수 있다.

그러나 상기 언급된 유형의 단일 모드 광섬유에서는 굴절율 프로파일은 단일 모드 증폭 특성에 해로운 영향을 끼칠 수 있는 결정적인 파라미터이다. 그러나 미국 특허 6,841,053에서는 코어 및 중간 피복 각각은 MCVD(modified chemical vapour deposition, 변형 화학 증착) 기법을 사용하여 형성된 단일층을 형성한다. 코어가 광섬유의 증폭 특성을 향상시키기 위해 대량으로 도핑되면, 중간 피복을 형성하는 단일층에서의 굴절율 프로파일은 완전히 제어되지 못하고, 이는 다시 광섬유의 단일 모드 특성을 보존하기 위하여 코어의 직경이 제한(예를 들어 20 ㎛로)되고 광섬유의 증폭율 또한 제한될 것을 요구하는 결과에 이른다.

다른 해결방안은 막대 유형의 광섬유를 사용하는 것으로, 이에 대해서는 단일 모드 특성은 특히 광섬유를 이루는 공기 구멍들의 치수에 의존한다(너무 큰 직경을 가진 공기 구멍들은 반드시 다중 모드 증폭을 형성하므로). 그러나 여기에서 다시, 공기 구멍들의 크기를 통제하는 것이 어렵기 때문에, 중간 피복(그리고 광섬유의 단일 모드 특성)을 통제하는 것 또한 어렵다. 더 나아가, 이러한 유형의 광 섬유에서는 코어의 굴절율은 순수한 실리카의 굴절율과 정확하게 같고 완전히 균질하다. 가이드되는 광선에 의해서 균질한 것으로 인식되는 마이크론 미만의 구조가 얻어질 때까지, 물질들의 혼합물, 예를 들어 이테르븀으로 도핑된 알루미노 규산염 및 불소로 도핑된 실리카가 사용되고 다중-단계 조립-잡아늘임에 의해서 생산될 것이다. 이러한 복잡한 기법은, 코어의 상당한 부분이 이테르븀으로 도핑되지 않고 광 증폭에 기여하지 않으므로, 한편으로는 고 비용을 초래하고, 다른 한편으로는 최적화 될 광섬유의 증폭 효율성을 허용하지 않는다.

다른 해결책은 “누출 채널” 광섬유를 사용하는 것으로, 이에 대한 단일 모드 특성은 막대 유형 광섬유에서의 것과 유사한 코어와 낮은 굴절율 실리카를 많이 함유한 피복 사이에서 매우 약한 가이딩에 의해서 유사한 방식으로 얻어진다.

다른 해결 방안은 키랄 방식으로 결합된 코어 광섬유(chirally coupled core fibre)를 사용하는 것으로서, 이에 대한 단일 모드 특성은 중심 코어 둘레로 말려진 주변 코어를 선택적으로 결합함에 의해서 다중 모드 중심 코어의 더 높은 차수의 모드를 제거함으로써 얻어진다. 코어 균일성은 다중 잡아늘림-조립에 의해서 얻어지지만 이테르븀으로 도핑되지 않은 실리카를 요구하지 않을 수 있다. 그러나 매우 많은 개수의 더 높은 차수 모드들의 선택적 제거 때문에, 코어 직경은 기술적 어려움에 의해서 40㎛ 보다 작게 제한된다.

그러므로 본 발명의 목적은, 중간 피복에서 굴절율 프로파일을 조심스럽게 통제하면서 높은 단일 모드 증폭을 촉진하는 것(큰 직경 코어 및 높은 도핑율을 가지고도) 이다.

그러므로, 본 발명에 따르면, 중심에서 주변부를 향하면서,

- 희토류로 적어도 부분적으로 도핑된 단일 모드 코어,

- 광학적으로 비활성인 중간 피복,

- 다중 모드 펌핑 피복, 및

- 외부 피복,

을 포함하는 단일 모드 광섬유는, 상기 중간 피복이

- 종 방향 요소들을 조립함에 의해서 형성되며,

- 상기 단일 모드 코어의 굴절율로부터 많아야 10^-3 만큼 다른 굴절율을 가진 제1 광학 물질 및, 상기 단일 모드 코어의 굴절율로부터 적어도 10^-3만큼 다른 굴절율을 가진 제2 광학 물질을 포함한다는 점에서, 주목할만 하다.

그러므로, 본 발명 덕분에, 중간 피복은 막대 또는 바와 같은 한 세트의 종방향 요소들을 포함하며 코어의 굴절율에 근접한 굴절율을 가지는 부분(제1 광학 물질) 및 코어의 굴절율과 다른 굴절율을 가지는 부분(제2 광학 물질)을 포함한다.

그러므로 중간 피복은 빛에 의해서 코어의 굴절율에 근접한 평균 굴절율을 가지는 일반적으로 이질적인 물질로 인식되며, 이는 상기 코어와 상기 중간 피복 사이에서 굴절율의 차이가 낮은 값으로 유지될 수 있도록 보장하여, 코어의 굴절율이 (그것의 도핑율 때문에) 높더라도 상이한 굴절율을 가진 상기 중간 피복의 상기 부분들에 대해서 굴절율, 비율 및 배치의 적절한 선택에 의해서 굴절율 프로파일이 정확하게 얻어질 수 있다. 기본적인 전파 광 모드(fundamental propagation light mode)는 코어에 국한될 수 있으며 그리하여 단일 모드 특성을 가질 수 있다. 결과적으로, 거시적인 규모에서 두 상이한 광학 물질의 적절한 통제에 의해서, 그렇게 형성된 중간 피복에서의 굴절율 프로파일은 미시적 규모에서 적절하게 통제될 수 있다.

이러한 방식으로, 상기 코어의 굴절율과 상기 피복의 굴절율 사이의 차이를 제한하는 적절한 굴절율 프로파일을 가지는 것을 보장하면서, 코어는 큰 직경 및 큰 도핑율을 가지고 생성될 수 있다. 그리하여 그렇게 생성된 광섬유는 향상된 단일 모드 증폭과 만족스러운 가이딩 특성 둘 다를 제공한다.

더 나아가 다시 본 발명 덕분에 중간 피복은, 모듈모양이며 그리하여 단순하게 설계되고 조립될 수 있다는 장점을 가지는 종 방향 요소들(막대, 바)로 형성되며, 이것은 더 나아가 광섬유의 생산을 용이하게 하고 또한 생산 비용을 감소시킨다.

본 발명의 다른 장점은, 비록 굴절율이 높음에도 불구하고 만족스러운 굴절율 프로파일이 코어에서 얻어짐을 보장하면서, 광섬유 코어의 (적어도 부분적인) 도핑이 (이테르븀과 같은) 희토류를 가지고 수행될 수 있다는 것이다.

본 발명은 코어에서 더 높은 도핑율을 허용하기 때문에, 동일한 단일 모드 증폭율 및 동일한 코어 직경에 대해서 더 짧은 길이의 광섬유를 생성하는 것을 가능하게 하며, 이는 그렇게 형성된 광섬유에서 전파되는 빛에서 비선형 효과의 영향을 제한하는데 도움을 주고 사용되는 광원의 소형화를 향상시키는데 도움을 준다는 점을 인식하게 될 것이다.

중간 피복의 굴절율 프로파일은 상기 중간 피복이 상기 종방향 요소들로만 이루어져 있다면 특히 정밀하게 통제될 수 있다.

중간 피복에 종방향 요소들을 쉽게 조립하기 위해서는 적어도 그들 중 일부는 매트릭스 배치로 상기 중간 피복에 배치될 수 있다.

중간 피복의 종방향 요소들이 공간 손실 없이 나란히 배치되도록, 이러한 종방향 요소들 중의 적어도 일부는 유리하게는 육각형의 횡단면을 가져서 벌집 매트릭스 배치를 형성할 수 있다. 그러나 예를 들어 원형 또는 정사각형 형상과 같은 다른 단면들도 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 광섬유에서는, 제1 광학 물질의 굴절율이 단일 모드 코어의 굴절율과 같거나 가능한 한 거의 비슷하지만, 제2 광학 물질의 굴절율은 상기 단일 모드 코어의 굴절율 보다 훨신 낮거나 훨씬 높으므로 상기 중간 피복의 평균 굴절율은 단일 모드 코어의 굴절율보다 약간 낮거나 또는 약간 높을 수 있다.

제2 광학 물질은 예를 들어 란타늄(lanthanum)으로 도핑된 알루미노 규산염 또는 실리카일 수 있는 반면, 제1 광학물질은 또한 도핑이 거의 없거나 매우 낮은 알루미노 규산염 또는 실리카일 수 있다. 물론 이러한 예는 한정적인 것이 아니며 상기 제1 및 제2 광학 물질은 적합한 굴절율을 가진 임의의 다른 양립할 수 있는 물질로 만들어질 수 있다.

본 발명에 따른 단일 모드 광섬유에서는, 상기 제1 및 제2 광학 물질은 복수의 상이한 모드들에서 분포할 수 있다.

제1 모드에서는 상기 단일 모드 광섬유는 다음을 포함하는 종방향 요소들을 포함한다.

- 상기 제1 광학 물질로 이루어진 중심 종방향 부분, 및

- 상기 중심 종방향 부분을 둘러싸며 중심 종방향 부분의 횡단면적보다 작은 횡단면적을 가지며 상기 제2 광학 물질로 이루어진, 주변 종방향 부분.

제2 모드에서는, 상기 단일 모드 광섬유는 상기 제1 광학 물질로 이루어진 제1 종방향 요소들 및 상기 제2 광학 물질로 이루어진 제2 종방향 요소들을 포함한다.

변형예에서는 본 발명에 따른 단일 모드 광섬유는 상기 제1 광학 물질로 이루어진 제1 종방향 요소들 및 다음을 포함하는 제2 종방향 요소들을 포함할 수 있다.

- 상기 제1 광학 물질로 이루어진 중심 종방향 부분 및,

- 상기 중심 종방향 부분을 둘러싸며 상기 중심 종방향 부분의 횡단면적보다 작은 횡단면적을 가지며 상기 제2 광학 물질로 이루어진 주변 종방향 부분.

중간 피복의 종방향 요소의 횡방향 치수는 단일 모드 광섬유의 단일 모드 코어에서 진행하는 광의 파장(이하, 단일 모드 방출 파장이라 함)보다 예를 들어 적어도 10 배 만큼 더 클 수 있다. 이러한 경우에는 중간 피복은 빛에 의해서 일반적으로 이질적인 물질로 인식되며 빛은 변형 내부 전반사(modified total internal reflection, MTIR)에 의해서 코어의 내부에 국한될 수 있다.

변형예에서는, 중간 피복의 종방향 요소들의 횡방향 치수는 단일 모드 광섬유의 단일 모드 방출 파장보다 더 작을 수 있다. 이러한 경우에는, 빛은 코어의 굴절율에 가까운 평균 굴절율을 가지는 일반적으로 균일한 물질로 중간 피복을 인식하며 빛은 전반사(total internal reflection, TIR)에 의해서 광섬유의 내부에서 전파된다.

바람직하게는, 단일 모드 코어는 단일 모드 방출 파장의 규모에서 횡방향으로 균일한 굴절율을 가질 수 있다. 이러한 경우에는 더 나은 가둠(confinement) 및 기본 전파 모드의 우선적 증폭을 달성하기 위해서 코어의 중심은 희토류로 도핑되며 반면 그것의 주변부는 도핑되지 않는다.

광섬유의 모듈성을 향상시키기 위해서, 코어 및/또는 다중 모드 펌핑 피복은 종방향 요소들을 포함할 수 있다.

코어에서의 모드 구별은 코어 및/또는 중간 피복에서의 모드 필터링 수단을 배치함에 의해서 향상될 수 있다. 요망되는 모드의 우선적인 증폭에 의한 선택의 면에서 상호 보완적인, 이러한 필터링 수단은 더 높은 차수의 전파 모드를 목표로한 상실(loss)의 형태일 수 있으며 예를 들어 코어 및/또는 중간 피복에서 경사진 그레이팅(grating)을 새김으로써 형성될 수 있다.

코어 안에 기본 모드(fundamental mode)만을 국한시키기 위해서, 중간 피복의 평균 굴절율은 100λ에 접근 할 수 있는 치수를 가진 코어에 대해서 단일 모드 코어의 굴절율로부터 많아야 10^-4만큼 다를 수 있다(더 작은 코어에 대해서는 몇 10^-4).

상기 설명된 실시예 중의 하나에 따른 단일 모드 광섬유를 생산하기 위해서 중간 피복을 생산하기 위한 다음의 생산 프로세스가 사용될 수 있다.

- 상기 중간 피복의 종방향 요소들에 해당하는 프리폼(preform)들에 한 세트의 파우더들이 배치된다.

- 상기 프리폼들은 유리화(vitrified) 된다.

- 상기 종방향 요소들의 치수는 상기 종방향 요소들을 형성하기 위해서 광섬유를 뽑아냄으로써 조정된다.

- 상기 종방향 요소들은 상기 중간 피복을 형성하기 위해서 배치되며, 그리고

- 상기 종방향 요소들 사이에서 진공이 확립된다(이는 완전히 중실(solid)인, 공기가 없는, 구조가 얻어지는 것을 가능하게 한다).

파우더의 유리화 원리에 기초한 이 프로세스는 중간 피복을 형성하는 물질의 굴절율의 특히 효과적인 통제를 허용하며, 크기가 크고 높은 굴절율을 가질 수 있는 코어에도 불구하고 단일 모드 광 빔이 방출되는 것을 허용하면서, 복잡한 굴절율 프로파일을 가진 부분적으로 도핑된 구조를 생성하는 것을 가능하게 한다. 조립될 종방향 요소들을 얻기 위해 기계적으로 또는 화학적으로 바로잡아져야 했던 복수의 MCVD 프리폼들을 대체하여, 직접 사용될 수 있는 프리폼이 얻어지는 것을 가능하게 한다는 점에서, (MCVD 방법을 사용하는 합성된 체적의 15 내지 100배에 해당하는) 생성된 체적은 생산 프로세스가 단순화되는 것을 허용한다.

추가적으로, 진공이 확립되면, 이 광섬유 생산 프로세스는 공기 구멍이 거의 없거나 아예 없는 완전히 중실(solid)의 광섬유를 제공하며 이는 상기 광섬유를 섬유로 된 요소들에 연결하는 것과, 또한 신뢰할 수 있는 소스(source)들의 조립을 용이하게 한다.

이 프로세스의 다른 장점으로는 약간의 사용가능하지 않은 광섬유를 생산한다는 것인데 이는 삼중 피복 단일 모드 광섬유를 생산하는 것에 대해서 그 기술 분야에 익숙한 사람에게 잘 알려진 다른 프로세스에 비교하여 본 발명에 따른 단일 모드 광섬유를 생산하는 비용을 크게 줄이는 효과가 있다.

바람직하게는 단일 모드 코어를 생산하기 위해서,

- 파우더는 단일 모드 코어의 종방향 요소에 각각 대응하는 프리폼들에 배치된다.

- 상기 프리폼들은 유리화 된다.

- 상기 프리폼들의 치수는 상기 종방향 요소들을 형성하기 위해서 광섬유를 뽑아냄으로써 조정된다.

- 상기 종방향 요소들은 상기 단일 모드 코어를 형성하기 위해서 배치된다. 그리고

- 상기 종방향 요소들 사이에 진공이 확립된다.

본 발명에 따른 광섬유가 생산되는 것을 가능하게 하는 프리폼은 코어 및 중간 피복을 형성하는 종방향 요소들의 신중한 배치로 이루어진다. 그러면 진공은 바람직하게는 프리폼 뽑아냄 단계 동안 확립될 수 있고 이것은 본 발명에 따른 광섬유가 얻어지는 것을 가능하게 한다.

첨부한 도면은 본 발명이 어떻게 생산되는지 설명할 것이다. 이 도면들에서는, 동일한 참조번호가 기술적으로 유사한 요소들을 나타낸다.

도 1a는 종래 기술에 따른 삼중 피복의 단일 모드 광섬유의 단면을 나타낸 다이어그램 도면이다.
도 1b는 도 1a의 광섬유에서 굴절율의 횡방향 분포를 나타내는 다이어그램이다.
도 2a는 본발명에 따른 삼중 피복 단일모드 광섬유의 제1예시의 단면을 다이어그램으로 나타낸 것이다.
도 2b는 도 2a의 광 섬유에서 굴절율의 횡방향 분포를 나타내는 다이어그램이다.
도 3a는 종방향 요소들 중의 하나의 단면을 나타내는 다이어그램 도면이며 이들의 조립은 도 2a의 광섬유의 중간 피복의 부분적으로 도핑된 구조를 형성한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 종방향 요소에서 굴절율의 횡방향 분포를 나타내는 다이어그램이다.
도 4는 도 2a의 삼중 피복 단일 모드 광섬유의 변형예의 단면을 나타내는 다이어그램 도면이다.
도 5의 다이어그램 A, B, C, D는 도 2a 및 도 4의 단일 모드 광섬유의 종방향 요소들을 생산하기 위한 프로세스에서의 연속적인 단계들을 나타낸다.
도 6a는 본 발명에 따른 삼중 피복 단일 모드 광섬유의 제2예의 단면에서의 다이어그램 도면이다.
도 6b는 도 6a의 직경 X-X'를 따라서, 도 6a의 광섬유에서의 굴절율의 직경방향 분포를 나타내는 다이어그램이다.

예를 들어 1030과 1100nm 사이의 파장(이테르븀 이온에 전형적인 파장이지만, 1.5 ㎛ 또는 2㎛ 또는 임의의 다른 파장으로 옮겨질 수 있다)을 가지는 광선을 방출하도록 제공되며, 평면(X-X'; Y-Y')에서의 횡단면이 도 1a에 도시되는, 종래 기술에 따른 삼중 피복 단일 모드 광섬유(1)는, 중심으로부터 주변부로 향하면서 다음을 포함한다.

- 적어도 부분적으로 희토류로 도핑된 단일 모드 코어(2);

- 광학적으로 비활성이지만 코어에 단일 모드 특성을 부여하는데 도움을 주는 중간 피복(3);

- 다중 모드 펌핑 피복(4); 및

- 외부 피복(5).

코어(2)는 굴절율 n₂(도 1b) 및 약 25-30 ㎛로 한정되는 치수를 가진다. 이것은 실리카 또는 알루미노 규산염으로 만들어지고 이테르븀(또는 에르븀(erbium) 또는 대안적으로 툴륨(thulium))과 같은 희토류로 도핑될 수 있거나 균일한 굴절율 프로파일을 얻기 쉽게하는 장점을 가진 임의의 다른 물질로 만들어질 수 있다. 그러나 이것은 단일 모드(예를 들어 기본 모드)의 우선적인 증폭을 가능하게 하기 위해서 특정의 구역에서 비활성일 수 있다. 코어의 직경은 일반적으로는 전통적인 생산 기법(예를 들어 MCVD)이 보장되는 것을 가능하게 하는 상이한 물질들의 굴절율의 정밀도에 의해서 25-30 ㎛로 한정된다.

중간 피복(3)은 코어(2)를 둘러싼다. 코어(2)의 굴절율 n₂ 보다 낮은 굴절율 n₃(도 1b)을 가지는 이 피복(3)은, 예를 들어 게르마늄으로 도핑된 실리카(또는 알루미노 규산염)로 만들어질 수 있다.

피복(3)의 굴절율 n₃는 코어(2)의 굴절율 n₂와 상기 피복(3)의 굴절율 n₃ 사이의 차이 Δn_{3 -2} 가 예를 들어, 본 기술분야에 익숙한 사람에 의해서 일반적으로 받아들여지는 한계인, 10^{- 3} 으로, 가능한 한 낮게 되도록 결정되어야 한다. 이것은 코어(2)에서 빛의 단일 모드 전파가 한 세트의 전반사(TIR로 알려진 기법)에 따라서 얻어지는 것을 가능하게 한다.

다중 모드 펌핑 피복(4)은 중간 피복(3)을 둘러싼다(도 1a). 이 피복(4)은 (코어(2)의) 굴절율 n₂ 및 (피복(3)의) 굴절율 n₃보다 낮거나 이와 같은 굴절율 n₄를 가지며 다중 모드 펌프의 상이한 모드들의 전파를 허용하기 위해서 상기 코어(2) 및 상기 중간 피복(3)의 치수에 비교하여 적합한 치수로 되어 있다. 이러한 목적을 위하여 그리고 생산을 단순화하기 위하여, 이것은 (희토류에 의해서) 도핑되지 않은 실리카 또는 (희토류에 의해서) 도핑되지 않은 알루미노 규산염으로 단들어 질 수 있다. 다중 모드 펌핑 피복(4)의 형태는, 펌프 능력의 흡수를 향상시키기 위해서, 본 기술분야에 익숙한 사람에게 잘 알려진 기법에 부합하도록, 반드시 원형인 것은 아니다.

외부 피복(5)은 다중 모드 펌핑 피복(4)을 둘러싼다. 굴절율 n₂, n₃, 및 n₄ 보다 낮은 (그리고 바람직하게는 이보다 훨씬 낮은) 굴절율 n₅(도 1b)를 가지는 이 피복(5)은 광섬유(1)의 내부가 보호되고 펌핑 선(pumping ray)이 가이드되는 것 둘 다를 허용한다. 이것은 공기 셀(air cell)로 이루어지거나 또는 대안적으로 고온에 적합한 물질(폴리머, 불소 코팅 등)로 만들어 질 수 있다. 이 피복(5)의 굴절율 n₅은 낮아야 하고 코어(2) 및 피복(3 및 4)의 굴절율과 충분히 달라야 함을 주목할 것이다.

코어(2)는 반드시 광섬유(1)의 중심에 위치하지 않으며 중간 피복에 의해서 동심적으로 둘러싸이지도 않는다는 것을 주목할 것이다. 유사하게 코어 및 다양한 피복들의 형상은 반드시 원형이 아니다.

광학 가이딩 특성을 향상시키면서 도 1a 및 1b의 삼중 피복 광섬유의 단일 모드 증폭을 향상시키기 위해서, 본 발명은 특정한 중간 피복 아키텍처에 관련되며, 이것의 제1 예는 도 2a, 2b, 3a, 3b에 도시된다.

예를 들어 1030nm 파장의 광선을 방출하도록 제공되며, (X-X'; Y-Y') 평면에서의 횡단면이 도 2a에 도시되는, 본 발명에 따른 삼중 피복 단일 모드 광섬유(11)는, 중심에서 주변부를 향하여 다음을 포함한다.

- 코어(2)와 유사하고 굴절율 N₁₂를 가지는 단일 모드 코어(12);

- 광학적으로 비활성이고 평균 굴절율 N₁₃을 가지는 (중간 피복(3)과 유사한) 중간 피복(13);

- 펌핑 피복(4)과 유사하고 굴절율 N₁₄를 가지는 다중 모드 펌핑 피복(14); 및

- 피복(5)와 유사하고 굴절율 N₁₅를 가지는 외부 피복(15).

도 2a에 도시된 중간 피복(13)은 코어(12)를 둘러싸는 복수의 동축 층들(도 2a에 두 개)을 형성하도록 배치되는, 막대 또는 바와 같은 복수의 종방향 요소(13A)들을 포함한다.

(반드시는 아니지만) 아마도 모두 동일한, 이러한 종방향 요소(13A)들은 광섬유(11)의 전체 종방향 및 횡방향 연장부을 커버하기 위해서 인접하여 배치된다. 그것들 각각은 6각형 단면을 가지며 그것들의 면들은 인접하는 종방향 요소들의 면에 접촉한다. 그러나 만약 인접하는 종방향 요소들 사이에서 너무 큰 횡방향 연장부의 공기 구멍을 형성하지 않는다면, 임의의 다른 단면 형상, 특히 원형, 직사각형 또는 삼각형 형상도 채택될 수 있다.

도 3a에 더욱 자세히 도시된 바와 같이, 중간 피복(13)의 종방향 요소(13A)는 두 개의 동축의 인접하는 부분들을 포함하며, 그것은 제2 (주변) 종방향 부분(13C)에 의해서 둘러싸인 제1 (중심) 종방향 부분(13B)이다. 중간 피복(13)의 종방향 요소(13A)에서, 주변 종방향 부분(13C)은 단일 모드 코어(12)의 굴절율과 적어도 10^-3 만큼 다른 굴절율을 가진 광학 물질로 이루어지며, 중심 종방향 부분(13B)은 상기 단일 모드 코어의 굴절율과 많아야 10^-3 만큼 다른 굴절율을 가지는 광학 물질로 이루어진다. 예를 들어, 도 3a의 종방향 요소(13A)에서는, 제1 길이방향 부분(13B)은 예를 들어 란타늄으로 도핑된 실리카 또는 란타늄으로 도핑된 알루미노 규산염과 같은 광학 물질로 만들어지며, 예를 들어 도핑되지 않거나 약간 도핑되었을 뿐인 (굴절율의 측면에서) 실리카 또는 알루미노 규산염과 같은 광학 물질로 만들어진 제2 종방향 부분(13C)의 굴절율 N_13C 보다 높은 굴절율 N_13B을 가진다. 이러한 방식으로, 코어(12)의 굴절율 N₁₂와 매우 다르게 결정된 제2 종방향 부분(13C)의 굴절율 N_13C(예를 들어 코어의 굴절율보다 적어도 5.10^-3만큼 낮은)는 빛이 상기 코어(12)에서 가이드되는 것을 보장한다.

더 나아가, 제1 종방향 부분(13B)의 횡단면적은 제2 종방향 부분(13C)의 단면적보다 크며, 이것은 코어(12)의 굴절율 N₁₂에 실질적으로 근접한(그리고 바람직하게는 TIR 또는 MTIR 가이딩의 경우에는 이보다 낮은) 중간 피복(13)의 평균 굴절율 N₁₃이 얻어지는 것을 허용한다.

그러므로 중간 피복(13)으로 형성된 단일 모드 광섬유(11)는 미리 결정된 단일 모드 방출 파장의 광선을 가이딩하는데 적합하고 그러한 광선을 효율적으로 증폭하는데 적합하다. 기술분야에 익숙한 사람은 이러한 가이딩 방법을 “변형 전반사”(MTIR)의 이름으로 알고 있다.

이 경우에 구조는 완전히 속이 찬 모양(solid)이지만, 가이딩 원리는 광 크리스탈 섬유(photonic crystal fibre, PCF)로 알려진 공기 구멍이 있는 마이크로 구조의 광섬유 또는 대안적으로 막대 유형의 광섬유에서 사용되는 것과 유사하다.

한 가능한 변형예는 구조의 모든 다른 굴절율들 보다 훨씬 높은 (코어(12)의 굴절율보다 적어도 10^-2 만큼 더 높은) 굴절율 N_13C를 가지는 물질(13C)로 이루어짐이 주목될 것이다. 광섬유(1)는 그리하여 상기 언급된 장점들을 보유하나, 빛은 금지된 광 밴드(prohibited photonic band, PPB)에 의해서 상기 광섬유에서 가이드되고, 이것은 또한 구부러짐 손실에 대해 더 양호한 저항을 제공한다.

단일 모드 방출 파장보다 작도록 제2 종방향 부분(13C)의 횡방향 치수를 선택하는 것이 가능하다는 것도 또한 주목될 것이다. 이러한 경우에는, 구조화된 물질은 패턴 크기보다 높은 파장을 가진 광선에 의해서 균질한 것으로 인식되므로, 빛은 광섬유에서 전반사(TIR)에 의해서 전파된다.

종방향 요소(13A)에서의 중심 종방향 부분(13B) 및 주변 종방향 부분(13C)의 배치는 굴절율의 이질적인 횡방향 분포(피복(13)의 횡단면을 따라서)를 제공한다. 그러나 임의의 다른 유형의 배치, 특히 상이한 굴절율을 가진 둘 보다 많은 부분을 가진 배치가 사용될 수 있다. 이러한 점에서, 한편으로는 코어(12)의 굴절율 N₁₂와 피복(13)의 평균 굴절율 N₁₃ 사이의 차이 ΔN_13-12가 적어도 10^-3(바람직하게는 10^-4)과 같으며, 다른 한편으로는, 굴절율이 최저인(여기서는 굴절율 N_13C) 종방향 요소(13A)의 종방향 부분(여기서는 부분(13B))이 광섬유(11)에서의 TIR 또는 MTIR에 의한 가둠(confinement)을 허용하는 적절한 치수를 가지도록, 피복(13)에서의 굴절율의 횡방향 분포가 이루어진다는 것만이 중요할 뿐이다.

중간 피복(13)이 상기 언급된 특징을 가지기 위해서, 본 기술분야에 익숙한 사람은 어떻게 다음의 파라미터들에 대한 적절한 조정을 하는지 알 것이다.

- 종방향 요소(13A)들로 이루어진 고리들의 개수;

- 각각의 굴절율을 결정하는, 각각의 종방향 요소(13A)의 종방향 부분들(13B 및 13C)의 도핑율;

- 피복(13)의 평균 굴절율을 결정하는, 각각의 종방향 요소(13A)의 상기 부분들(13B 및 13C)의 단면적의 비율(또는 도 3b를 참조로 하여, 대안적으로 치수 D_13B 및 D_13A의 비율); 및

- 종방향 요소들의 치수.

그러므로 중간 피복(13)은 함께 조립되기에 적합한 종방향 요소(13A)로 이루어지기 때문에, 상기 피복(13)은 모듈식이며, 반드시 모두 동일하지는 않은, 종방향 요소들의 조심스럽게 선택된 세트로부터 형성될 수 있다. 특히 예상되는 응용분야에 따라서, 상이한 형상의 단면을 가지고 상이한 치수를 가지며 및/또는 다른 물질로 만들어지고 및/또는 다른 비율로 도핑된 구성 부분들을 가지는 종방향 요소들을, 이러한 부분들이 적합한 굴절율을 가지면, 같은 피복(13)에서 조립하는 것이 적절할 수 있다. 그러나 피복(13) 주위로 회전 대칭에 의해서 더 나은 균질성을 달성하기 위해서, 피복(13)의 동심 층들이 모두 동일한 종방향 요소들로부터 형성되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 더 나아가, 동일하지 않은 요소들의 배치 또는 비대칭의 배치는 예를 들어 편광을 유지하는 광섬유 또는 편광 광섬유가 생산되는 것을 가능하게 할 수 있다.

광섬유의 모듈성과 같은 이유로 도 2a에 도시된 코어(12)(예를 들어 이테르븀으로 도핑된 알루미노 규산염으로 만들어진)도, 횡단면이 중간 피복(13)을 형성하는 종방향 요소(13A)의 횡단면과 동일한 형상 및 동일한 치수를 가지는, 종방향 요소(12A)로 만들어진다는 것이 주목될 것이다. 이러한 종방향 요소들(12A)은 예를 들어 이테르븀으로 도핑된 실리카 또는 알루미노 규산염으로 이루어지는 단일 광학 물질로 각각 만들어질 수 있다.

또한 다중 모드 펌핑 피복(14)도 - 또는 외부 피복(15)조차- 종방향 요소들(13A)과 같은 형상 및 같은 치수의 단면을 가진 종방향 요소들의 집합으로 만들어 질 수 있다는 점이, 더 큰 모듈성과 관련하여, 주목될 것이다.

더 나아가, 여전히 도 2a를 참조로 하면, 모드 분별을 향상시키고 그리하여 코어(12)에서만의 기본 모드의 전파를 향상시키기 위해서, 상실부(16)들은 코어(12) 및 중간 피복(13)의 일부 종방향 요소들(12A 및 13A)에서 각각 배치될 수 있다. 더 높은 차수의 전파 모드들을 표적으로 한, 이러한 상실부(16)들은 상기 모드들이 걸러지는 것을 가능하게 한다. 그것들을 배치하기 위해서 예를 들어 본 기술분야에 익숙한 사람에게 잘 알려진 경사진 그레이팅(grating) 새김 기법에 의존할 수 있다.

이점과 관련하여 본 기술분야에 익숙한 사람은 코어(12) 및 중간 피복(13)의 특정 구성에 대하여 더 높은 차수의 모드들을 적합하게 걸러내기 위해서 이러한 상실부들의 최적 위치 및 치수를 어떻게 판정하는지 알 것이다.

도 2a 및 도 3a 에서는, 오직 광섬유(11)의 횡단면이 도시되지만, 명백하게 이러한 단면은 상기 광섬유(11)의 전체 종방향 연장에 걸쳐서 동일할 수 있다.

유사하게는, 상기 설명이 전적으로 종방향 요소(13A)들로 이루어진 중간 피복(13)에 연관되지만, 명백하게 상기 중간 피복(13)은 단지 부분적으로만 이러한 요소들로 형성될 수 있고, 피복의 나머지 부분은 고유한 굴절율을 가지는 단일 종방향 요소로 형성될 수 있다.

도 4는 상기 설명된 삼중 피복의 단일 모드 광섬유의 변형예(21)를 도시한다. 이 광섬유(21)는 도 2a의 광섬유(11)와 유사하며 특히 중간 피복(23), 다중 모드 펌핑 피복(24) 및 외부 피복(25)은 광섬유(11)의 피복들(13, 14, 15)에 각각 대응한다. 유사하게 종방향 요소(23A)들은 상기 요소(13A)들에 대응한다.

이 광섬유(21)의 코어(22)가 부분적으로 도핑되고, 예를 들어 그 중심에서, 광섬유(11)의 종방향 요소(12A)들과 유사한, 도핑된 종방향 요소(22A)들(예를 들어 이테르븀으로 도핑된 알루미노 규산염으로 만들어진)의 한 세트를 포함하고, 그 주변부에서 종방향 요소(22A)들(또한 종방향 요소(23A)들)과 같은 형상 및 같은 치수의 단면, 그리고 종방향 요소들(22A)과 같은 굴절율을 가지는 종방향 요소(22B)들을 포함하며, 이러한 요소(22B)들은 활성적으로 도핑되지 않는다(예를 들어 란타늄 또는 게르마늄으로 도핑된 알루미노 규산염으로 만들어지지만, 이테르븀 또는 다른 광학적으로 활성인 희토류를 포함하지 않음)는 점에서, 이 광섬유(21)의 코어(22)는 상기 코어(12)와 다르다.

도 2a의 제1 실시예에서와 같이, 이 경우에는 상실부(26)들(상실부(16)들과 유사한)은 종방향 요소들(22A, 22B 및 23A) 중 일부에 도입될 수 있다.

본 발명에 따른 단일 모드 광섬유(11)(또는 21)를 생산하기 위해서는, 도 5의 다이어그램 A 내지 D에 예시된 생산 프로세스가 사용될 수 있다. 이 프로세스에 따르면, 각각의 종방향 요소(13A)(또한 12A 및 12B)는 파우더의 유리화에 의해서 다음의 단계에 따라서 형성될 수 있다.

- 제1 파우더 P1(중심 종방향 부분(13B)를 형성하도록 의도된)은 제1 튜브(프리폼으로 기능하는) PR1 내부에 배치된다(도 5의 다이어그램 A).

- 이 제1 프리폼 PR1은 더 큰 치수의 제2 튜브(프리폼으로 기능하는) PR2 안으로 삽입되며, 제2 파우더 P2(주변 종방향 부분(13C)를 형성하도록 의도된)는, 상기 제1 튜브 PR1에 의해서 남겨진 공간에서, 이 제2 튜브 PR2 내부에 배치된다(도5의 다이어그램 B).

- 일단 두 파우더 P1 및 P2가 제2 튜브 PR2 내부에 배치되면, 제1 튜브 PR1은 제거된다(도 5의 다이어그램 C).

- 마지막으로, 파우더들 P1 및 P2는 제2 튜브 P2 내부에서 종방향 요소(13A)의 중간 (13B) 및 주변(13C) 종방향 부분들을 각각 형성하기 위해서 유리화되며(도 5의 다이어그램 D), 필요하다면 기계적 또는 화학적 연마에 의해서 제2 튜브(32)를 제거하는 것이 가능하다.

도 5의 다이어그램 A 내지 D 는 원통형 종방향 요소의 생산의 예를 나타내지만, 명백하게 이 프로세스는 6각형 또는 다른 형태의 단면을 가지는 종방향 요소에 적용될 수 있다.

대안적으로, 각각의 종방향 요소 13A(또한 12A 및 12B)는 파우더의 유리화 및 적절하다면, 다음의 단계에 따른 물질의 외부 침적(external deposition)에 의해서 생산될 수 있다.

- 제1 파우더(중심 종방향 부분 13B 또는 12A를 형성하도록 의도된)는 제1 프리폼 튜브안에 배치된다;

- 이 프리폼은 유리화된다;

- 프리폼은 부분(13C)의 두께를 조정하기 위해서 연마되거나 또는 예를 들어 요소(12A)를 형성할 때와 같이 전체 단면에 걸쳐서 균일한 물질을 얻기 위해서 완전히 제거될 수 있다;

- 모든 주변 물질이 제거되지만 주변 부분(13C)이 유용하면, 요망되는 굴절율을 가진 부분(13C)를 형성하기 위해서 예를 들어 OVD 또는 POVD에 의한 외부 침적이 수행될 수 있다.

다음으로 이러한 방식으로 유리화된 종방향 요소(13A)들은 중간 피복(13)을 형성하기 위해서 배치되며, 이러한 요소(13A)들 사이에서 그것들을 조립하여 상기 중간 피복(3)을 형성하기 위해서 진공이 확립된다.

이 프로세스는 코어(12 또는 22)의 종방향 요소들(12A, 22A 및 22B), 또한 필요하다면, 다중 모드 펌핑 피복(14) - 또는 외부 피복(15)을 형성하도록 의도된 종방향 요소들을 형성하기 위해서 적용될 수 있다. 이러한 경우에는, 문제의 요소가 고유의 굴절율을 가진 단일 부분으로부터 형성되면, 오직 하나의 프리폼 및 하나의 파우더만이 사용될 필요가 있다. 도 4에 도시된 광섬유(21)의 종방향 요소들(22A, 22B, 23A)에도 동일하게 적용된다.

본 발명에 따른 단일 모드 광섬유(11) (또는 21)의 종방향 요소들에 적용되는 이러한 유리화 프로세스는 특히 다음을 허용한다.

- 코어 및 중간 피복(13)(또는 23)을 형성하는 물질들의 굴절율의 효율적인 통제(그리고 유효 단면적의 최대화 및 비선형 효과의 영향의 최소화);

- 비선형 효과의 영향을 최소화하기 위하여 도핑 수준(따라서 유용한 광섬유의 이득 및 길이)의 효율적인 통제;

- CVD 방법에 의한 것보다 더 큰 체적의 합성 및 그에 따른 광섬유 생산 프로세스의 상당한 단순화 및 비용의 감소;

- 신뢰할 수 있는 소스들의 조립 뿐만 아니라, 섬유화된 요소들로 광섬유의 연결을 용이하게 하는, 완전히 속이 찬(solid) 광섬유의 공급; 및

- 단일 모드 광섬유 생산 비용을 상당히 줄이는, 사용할 수 없는 광섬유의 소량 생산.

종방향 요소들을 생산하고 조립하기 위해서 다른 생산 프로세스가 사용될 수 있다. 예를 들어, 주변 종방향 부분 13C(또는 23C)는 외부 침적(외부 기체 상 산화(outside vapour phase oxidation, OVPO) 또는 플라스마 강화 외부 증착(plasma enhanced outside vapour deposition(POVD), 등)에 의해서 또는 주변 종방향 부분 13C(또는 23C)을 중심 종방향 부분 13B(또는 23B)를 담고 있는 미세한 튜브로 밀어넣음(sliding)에 의해서 중심 종방향 부분 13B(또는 23B) 둘레에 배치될 수 있다. 다음으로 종방향 요소들은 일련의 조립-뽑아냄 단계를 거칠 수 있고, 종방향 요소들 사이의 틈새 구멍들은 표면 장력 때문에, 그리고 필요하다면 압력의 약간의 감소 때문에 다시 닫혀진다. 이러한 면에서 육각형 단면의 종방향 요소들로 이루어진 벌집 모양 구조는 전반사에 의해서 기본 모드의 갇힘(confinement)을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 단일 모드 광섬유의 다른 실시예는 도 6a 및 6b에 도시된다.

본 발명에 따르며 도 6a 및 6b에 도시된 단일 모드 광섬유(31)는 중심으로부터 주변부를 향하여 다음을 포함한다.

- 광섬유(11)의 코어(12)와 유사하고 굴절율 N₃₂를 가지는 단일 모드 코어(32);

- 종방향 요소들(33a 및 33b)로 이루어지고 광학적으로 비활성이지만, 코어에 단일 모드 특성을 주는데 도움을 주는 중간 피복(33);

- 광섬유(11)의 펌핑 피복(14)과 유사하고 굴절율 N₃₄를 가지는 다중 모드 펌핑 피복(34);

- 광섬유(11)의 외부 피복(15)과 유사하고 굴절율 N₃₅를 가지는 외부 피복(35).

광섬유(11)의 중간 피복(13)과 같이, 중간 피복(33)은 두 광학 물질을 포함하며, 그 중 첫 번째 것은 단일 모드 코어(32)의 굴절율로부터 많아야 10^-3 만큼 다른 굴절율을 가지며, 두 번째 것은 상기 단일 모드 코어(32)의 굴절율로부터 적어도 10^-3 만큼 다른 굴절율을 가진다.

그러나, 단일 모드 광섬유(31)에서는 이러한 두 광학 물질들은, 중간 피복의 종방향 요소들에서 함께 존재(중간 피복(13)의 종방향 요소(13A)들에 대한 경우와 같이)하는 대신, 구별되는 종방향 요소들(33A 및 33B) 각각의 균질한 구성 물질을 형성한다. 종방향 요소(33A)들은 (종방향 요소(13A)들의 중심 부분(13B)들과 같이) 상기 제1 광학 물질로 이루어지고, 반면에 종방향 요소(33B)들은 (종방향 요소(13A)들의 주변 부분(13C)들과 같이) 상기 제2 광학 물질로 이루어진다.

도 6b에 도시된 굴절율 분포의 예에서, 제1 광학 물질의 굴절율 N_33A는 단일 모드 코어(32)의 굴절율 N₃₂에 가능한 한 가깝다. 이 예에서, 제2 광학 물질의 굴절율 N_33B는 단일 모드 코어(32)의 굴절율 N₃₂보다 더 낮을 것으로 가정된다. 결과적으로 단일 모드 코어(32)의 굴절율 N₃₂보다 약간 낮은 피복(33)의 유효 또는 평균 굴절율 N₃₃이 얻어진다. 그러나, 단일 모드 광섬유(11)와 관련하여 설명된 것과 같이, 제2 광학 물질의 이러한 굴절율 N_33B는 단일 모드 코어의 상기 굴절율 N₃₂보다 더 높을 수 있다.

도 6a의 단일 모드 광섬유(31)는 상실부(36)들을 포함할 수 있고 예를 들어 위에서 설명된 프로세스를 사용하여 특히 생산하기 단순한 구조를 가진다는 것이 주목될 것이다. 그러므로 생산 비용은 특히 낮다.

도면에 도시되지 않음에도 불구하고, 본 발명에 따른 단일 모드 광섬유는 상기 요소(33A)들과 동일하고, 상기 제1 광학 물질로 이루어지는 제1 종방향 요소들을 가질 수 있고, 상기 요소(13A)들과 동일하고 다음을 포함하는 제2 종방향 요소들을 가질 수 있음이 기꺼이 이해될 것이다.

- 상기 제1 광학 물질로 이루어진 중심 종방향 부분(13B), 및

- 상기 중심 종방향 부분(13B)를 둘러싸며, 중심 종방향 부분의 횡단면적보다 작은 횡단면적을 가지며, 상기 제2 광학물질로 만들어지는, 주변 종방향 부분(13C).

생산 방식이 무엇이 되었든지, 본 발명에 따른 단일 모드 광섬유는 동일한 광 특성을 가지며, 완전히 속이 찬 구조, 코어의 높은 도핑 및 더 높은 차수 모드의 탁월한 관리와 같은 많은 장점들을 가진다.

본 발명에 따른 단일 모드 광섬유는 배타적이지 않으나 다음과 같은 응용분야에서 유리하게 사용될 수 있다.

- 마이크로단위 또는 나노 단위 가공;

- 예를 들어 적외선 범위에서의, 레이저 소스 생성;

- 주파수 빗(frequency comb), 단일 주파수 소스(mono-frequency source), 등의 생성;

- 바람이나 소용돌이 등을 측정하기 위한 광 감지 및 거리 측정(LIDAR) 장치;

- 다른 소스에 대한 펌핑, 예를 들어 “연질 유리” 섬유 기반의 광학 파라미터 진동기(optical parametric oscillator, OPO) ;

- 의료(레이저 메스(laser bistoury), 안과학 등);

- 오염 탐지;

- 레이저 무기 생산;

- 위성 간 통신; 또는

- 단일 모드 광선의 수송 또는 증폭을 요구할 수 있는 임의의 다른 응용.

Claims (11)

1. 단일 모드 광섬유(monomode optical fibre)(11, 21, 31)로서, 상기 단일 모드 광섬유는 중심으로부터 주변부로 향하여,
   적어도 부분적으로 희토류(rare earth)로 도핑된 단일 모드 코어(12, 22, 32);
   광학적으로 비활성인 중간 피복(intermediate sheath)(13, 23, 33);
   다중 모드 펌핑 피복(multimode pumping sheath)(14, 24, 34); 및
   외부 피복(outer sheath)(15, 25, 35);을 포함하며,
   상기 중간 피복(13, 23, 33)은,
   중실 종방향 요소(solid longitudinal element)들(13A, 23A, 33A, 및 33B)의 조립체(assembly)에 의해서 형성되며,
   상기 중실 종방향 요소들(13A, 23A, 33A, 및 33B)의 상기 조립체는 제1 중실 종방향 요소들 및 제2 중실 종방향 요소들을 포함하고, 상기 제1 중실 종방향 요소들은 상기 단일 모드 코어의 굴절율과의 차이가 10^-3 이하인 굴절율을 가지는 제1 광학 물질을 포함하며, 상기 제2 중실 종방향 요소들은 상기 단일 모드 코어의 굴절율보다 10^-3 이상 작은 굴절율을 가지는 제2 광학 물질을 포함하고,
   상기 중간 피복(13, 23, 33)의 평균 굴절율은 단일 모드 코어(12, 22, 32)의 굴절율(N₁₂, N₃₂) 보다 작은 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광섬유.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중실 종방향 요소들의 조립체에 포함되는 중실 종방향 요소(13A)들은:
   제1 광학 물질로 이루어진 중심 종방향 부분(central longitudinal portion)(13B) 및,
   상기 중심 종방향 부분(13B)을 둘러싸고, 중심 종방향 부분의 횡단면적 보다 작은 횡단면적을 가지며, 상기 제2 광학 물질로 이루어지는, 주변 종방향 부분(peripheral longitudinal portion)(13C)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광섬유.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 중실 종방향 요소(33A)들은 상기 제1 광학 물질로 이루어지고, 상기 제2 중실 종방향 요소(33B)들은 상기 제2 광학 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광섬유.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 중실 종방향 요소(33A)들은 상기 제1 광학 물질로 이루어지고, 상기 제2 중실 종방향 요소(13A)들은:
   상기 제1 광학 물질로 이루어진 중심 종방향 부분(13B) 및,
   상기 중심 종방향 부분(13B)를 둘러싸며 중심 종방향 부분의 횡단면적보다 더 작은 횡단면적을 가지며 상기 제2 광학 물질로 이루어진, 주변 종방향 부분(13C)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광섬유.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 조립체(assembly)에서, 중간 피복(13, 23, 33)의 상기 중실 종방향 요소들은 매트릭스 배치로 배치된 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광 섬유.
6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간 피복(13, 23, 33)의 상기 중실 종방향 요소들(13A, 23A, 33A, 33B)의 횡방향 치수는 상기 단일 모드 광섬유(11, 21, 31)의 상기 단일 모드 코어에서 진행하는 광의 파장보다 적어도 10배 만큼 더 큰 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광섬유.
7. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간 피복(13, 23, 33)의 상기 중실 종방향 요소들(13A, 23A, 33A, 33B)의 횡방향 치수는 상기 단일 모드 광섬유(11, 21, 31)의 상기 단일 모드 코어에서 진행하는 광의 파장보다 작은 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광섬유.
8. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
   모드 필터링 수단(modal filtering means)(16, 26, 36)이 상기 단일 모드 코어(12, 22, 32)와 상기 중간 피복(13, 23, 33) 중 적어도 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광섬유.
9. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간 피복(13, 23, 33)의 상기 평균 굴절율과 단일 모드 코어(12, 22, 32)의 굴절율의 차이는 10^-4 이하인 것을 특징으로 하는,
   단일 모드 광섬유.
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