KR102014300B1 - 다중 모드 및 단일 모드 전송을 위해 최적화된 고대역폭 다중 모드 광섬유 - Google Patents

다중 모드 및 단일 모드 전송을 위해 최적화된 고대역폭 다중 모드 광섬유 Download PDF

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Abstract

광 코어 및 광 코어를 둘러싸는 광 클래딩을 포함하는 광섬유가 제안되며, 광 코어는 최소 굴절률 n1 및 최대 굴절률 n0의 그레이디드 굴절률 프로파일을 가지며, 상기 광섬유는, 수학식 C = NA - 0.02 x a로 정의되는 광 통신 품질 기준(C)을 만족하는 개구수(NA)와 광 코어 반경(a)을 가지도록 하며, Δ는 정규화된 굴절률 차이이고, 최소 굴절률 n1 및 최대 굴절률 n0과 상기 광 코어 반경 <<은 NA > 0.20, a > 10㎛ 및 |C| < 0.20이 되도록 선택된다.

Description

다중 모드 및 단일 모드 전송을 위해 최적화된 고대역폭 다중 모드 광섬유{HIGH BANDWIDTH MULTIMODE OPTICAL FIBER OPTIMIZED FOR MULTIMODE AND SINGLE-MODE TRANSMISSIONS}
본 발명은 광섬유 전송에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단일 모드 및 다중 모드 전송을 모두 지원하도록 최적화된 광섬유에 관한 것이다.
광섬유는 일반적으로 광 신호를 전송하는 광 코어 및 광 신호를 광 코어 내에 가두는 광 클래딩(cladding)으로 구성된다. 그 목적으로, 코어의 굴절률 nc는 광 클래딩의 굴절률 ng보다 더 크다. 광섬유는 일반적으로 굴절률(n)을 광섬유의 반경(r)과 관련시키는 굴절률 프로파일을 특징으로 한다: 광섬유의 중심에 대한 거리 r이 x 축에 도시되고, 반경 r에서의 굴절률과 광 클래딩의 굴절률 사이의 차이가 y 축에 도시된다.
오늘날, 다중 모드(multimode) 및 단일 모드(single-mode) 섬유인 2가지의 광섬유에 대한 주요 카테고리가 존재한다. 다중 모드 섬유에서, 주어진 파장에 대하여, 여러 광 모드가 광섬유를 따라 동시에 전파되는 반면, 단일 모드에서는, 고차 모드(이하, HOM(higher order mode)라 한다)가 차단되거나 매우 감쇠된다.
단일 모드 섬유는 액세스 네트워크와 같은 장거리 애플리케이션에 대하여 일반적으로 사용된다. 단일 모드 광 신호를 전송할 수 있는 광섬유를 획득하기 위하여, 상대적으로 작은 직경을 갖는 코어가 필요하다(일반적으로 5 ㎛와 11 ㎛의 사이). 높은 속도 또는 비트 레이트 애플리케이션(예를 들어, 10Gbps)의 요건을 충족하기 위하여, 표준 단일 모드 섬유는 1550 nm의 파장에서 작동하도록 튜닝된 변조 단일 모드 레이저 방출기(emitter)의 사용을 필요로 한다.
다중 모드 섬유는 인빌딩(in-building) 네트워크로서 더 일반적으로 알려진, LAN(local area network)과 MDU(multi-dwelling unit)와 같은 고 대역폭을 요구하는 단거리 애플리케이션에 대하여 일반적으로 사용된다. 다중 모드 섬유의 코어는 통상적으로 50 ㎛ 또는 62.5 ㎛의 직경을 가진다. 전기 통신에 있어서의 가장 일반적인 다중 모드 섬유는 그레이디드 굴절률 프로파일 광섬유(refractive graded-index profile optical fiber)이다. 이러한 굴절률 프로파일은, 다모드 분산(intermodal dispersion)(즉, 광섬유를 따른 광 모드의 전파 지연 시간 또는 그룹 속도 사이의 차이)을 최소화함으로써, 주어진 파장에 대하여 높은 모드 대역폭을 보증한다.
광 홈 네트워크의 개발을 위하여, 광섬유 카테고리 중 카테고리의 선택이 중요하다. 다중 모드 섬유는 광 데이터 네트워크를 위한 비용 효율적인 해결 방안이다. 더 넓은 개구수(numerical aperture)와 코어 직경 및 그레이디드 굴절률 코어 프로파일에 의해 제공되는 이의 낮은 모드 분산 덕분에, 다중 모드 섬유는 비용 효율적인 광원 기반 해결 방안(VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)와같은)에 의해 방출되는 10 Gbps 광 신호를 효율적으로 지원할 수 있는 반면, 단일 모드 섬유는 비싸고 내성이 있는 단일 모드 트랜스시버를 필요로 한다. 특히, 단일 모드 섬유와의 광원의 연결(런칭(launching) 조건)은 다중 모드 섬유보다 더 엄격한 정렬 허용 오차를 요구한다.
그러나, 광 홈 네트워크가 더 긴 도달 요건(reach requirement) 때문에 단일 모드 기술을 주로 사용하는 외부의 액세스 네트워크에 연결되는 것으로 예측되기 때문에, 단일 모드 섬유와의 정보 처리 상호 운용(interoperability)의 문제가 더 고려될 필요가 있다.
실제로, 다중 모드 섬유는 단일 모드 전송 시스템과 상호 연결되도록 설계되지 않는다. 홈 네트워크는 사용자가 네트워크의 양단에서 장치를 연결할 수 있게 하는 광섬유 네트워크로서 이해될 수 있다. 오늘날, 장치는 아마도 다중 모드 섬유를 필요로 하는 다중 모드 광 전송 기반의 기술을 구현하는 것이지만, 장래에는, 단일 모드 기반의 기술과 함께 동작하도록 설계될 수 있을 것이다.
따라서, 예를 들어 850 nm인 홈 네트워크의 동작 파장에서의 다중 모드 광 신호와, 예를 들어 1550 nm의 액세스 네트워크의 동작 파장에서의 단일 모드 광신호 모두를 동작 특성들의 적절한 트레이드 오프(trade-off)을 가지면서 전송할 수 있는 홈 네트워크를 위한 하이브리드 광섬유를 제공하는 것이 바람직하다.
공지된 해결 방안은 850 nm의 파장에서 광대역폭을 갖는 에러가 없는 전송을 제공하기 위하여 최적화된 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 표준 다중 모드 섬유를 이용하는 것을 포함한다. 그럼에도 불구하고, 1550 nm의 파장에서 동작하는 단일 모드 소스가 표준 다중 모드 섬유에 결합될 때, 섬유 내에 도입된 광신호는 주로 기본 광 모드를 유도(stimulate)하지만 불행하게도 뿐만 아니라 광 섬유 내의 HOM도 유도한다. 이러한 HOM은 광 전송 품질을 열화시키는 모드 노이즈(modal noise)를 유발한다. 실제로 비간섭성 노이즈(incoherent noise) 및 간섭성 노이즈(coherent noise)인 모드 노이즈의 2가지 주된 카테고리가 있다.
비간섭성 노이즈는, 방출기 측에서, 섬유의 HOM로 결합된 광 신호가 모드 분산에 시달릴 수 있고, 따라서, 상이한 모드가 상이한 전파 지연 시간과 전파 상수(propagation constant)를 가지기 때문에, 이러한 HOM이 수신기 측에서 주 광신호의 지연된 복사(copy)들을 중첩시키는 것으로 광 전송의 품질을 열화시킬 수 있다는 것에 기초한다. 실제로, 고대역폭 애플리케이션에서 양호하게 수행하기 위하여, 광섬유는, 신호대 잡음비를 이용하여 측정될 수 있는, 가장 높은 품질의 광 전송을 가져야만 한다. 비간섭성 기여분에 대하여, 아래에서 "비간섭성 신호대 잡음비(signal to incoherent noise ratio)"라 하는 신호대 잡음비는 다음의 수학식에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112015006153061-pct00001
여기에서,
|γ|2는 기본 모드로 결합되는 광 출력(optical power)이다;
|βi|2는 HOM(higher order mode)으로 결합되는 광 출력이고, i≥1이다.
간섭성 노이즈는, 방출기 측에서 섬유의 HOM으로 결합되는 광 신호가 기본 모드로 결합되는 광 신호와의 위상 불일치를 생성할 수 있어, 수신측에서 기본 모드로의 제어되지 않는 간섭 측정 재조합을 야기한다는 사실에 기초한다. 이러한 간섭은 광 전송 품질을 역시 열화시키는 광 출력 변동을 유발한다. 간섭성 기여분에 대하여, 아래에서 "간섭성 신호대 잡음비(signal to coherent noise ratio)"라 하는 신호대 잡음비는 다음의 수학식에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112015006153061-pct00002
여기에서,
|γ|2는 기본 모드로 결합되는 광 출력이다;
|βi|2는 HOM으로 결합되는 광 출력이고, i≥1이다;
σcoherent는 가우스 노이즈의 표준 편차 계수이다.
그 결과, 더 적은 광 출력이 HOM으로 결합될 때, 광섬유의 광 전송 품질이 개선된다.
따라서, 이러한 모드 노이즈의 존재 때문에, 이러한 표준 다중 모드 섬유는 이에 따라 단일 모드 광 전송 시스템과의 상호 연결에 대하여 조정되지 않는다.
따라서, 850 nm의 파장에서 넓은 모드 대역폭을 갖고 1310 nm 또는 1550 nm의 파장에서 상당히 감소된 레벨의 모드 노이즈를 갖는 광섬유를 제공하는 것이 효율적일 것이다.
호주 특허 문헌 AU2002/100296은 제3 굴절률을 갖는 클래딩에 의해 최종적으로 둘러싸이는 제2 굴절률을 갖는 다중 모드 코어부에 의해 둘러싸이는 제1 굴절률을 갖는 단일 모드 코어부를 포함하는 광섬유를 개시한다. 기본 모드가 단일 모드 섬유의 기본 모드에 실질적으로 일치하도록 여러 부분의 굴절률 프로파일이 배열된다. 그러나, 이 문헌은 광섬유의 HOM에 의해 발생되는 모드 노이즈를 최소화하기 위한 어떠한 해결 방안도 제공하지 않는다. 또한, 개시된 광섬유는 850 nm에서 상대적으로 낮은 모드 대역폭을 제공하며, 복잡한 굴절률 프로파일 설계를 필요로 한다.
프랑스 특허 문헌 FR 2 441 858은 중앙의 단일 모드 코어 및 데이터 전송을 위한 다중 모드 시스(sheath)를 갖는 광섬유를 개시한다. 특히, 개시된 광섬유는 그레이디드 굴절률 프로파일을 나타내지 않고(다중 모드 섬유 부분은 계단형 굴절률 프로파일을 가진다), 이는 850 nm에서의 더 높은 모드 대역폭의 측면에서 요건을 만족하는 것을 허용하지 않는다. 또한, 1310 nm 또는 1550 nm의 파장에서 모드 노이즈의 감소의 문제점을 해결하지 않는다.
모드 노이즈의 문제점에 대한 해결 방안은 다중 모드 섬유의 코어 직경을 감소시키는 것일 수 있다. 그러나, 광 코어 직경을 감소시키는 것은 다중 모드 광 전송의 품질의 열화를 초래한다. 사실, 표준 광섬유(즉, 50 ㎛ 또는 62.5 ㎛의 직경을 갖는 섬유)로 연결이 수행될 때, 광 전송 손실은 코어 직경이 작은 곳에서 훨씬 더 중요하며, 이에 의해 다중 모드 광 전송을 위한 광섬유의 모드 대역폭을 상당히 제한한다. 따라서, 해결 방안은 최적이 아니다.
본 발명은, 적어도 일 실시예에서, 종래 기술의 이러한 상이한 단점들을 극복하는데 특히 목적을 둔다.
더욱 구체적으로는, 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 과제는, 높은 데이터 레이트 애플리케이션을 위한 광 특성의 측면에서 적절한 트레이드 오프를 갖는, 단일 모드 및 다중 모드 전송을 모두 지원하도록 최적화된 광섬유를 제공하는 것이다.
또한, 장거리에 대하여 다중 모드 전송을 위한 가장 넓은 모드 대역폭을 제공하고, 단일 모드 전송에 필요한 것과 유사하게 기본 모드를 지속시키는 광섬유를 제공하는 것도 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 목적이다.
또한, 850 nm 파장에서 넓은 모드 대역폭을 전달하면서, 1310 nm 및 1550 nm 파장에서 모드 노이즈를 상당히 감소시키는 광섬유를 제공하는 것도 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 목적이다.
또한, 제조하기 간단하고 비용이 적게 드는 광섬유를 제공하는 것도 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 목적이다.
본 발명의 하나의 특정 실시예에서, 광 코어 및 광 코어를 둘러싸는 광 클래딩을 포함하는 광섬유가 제안되며, 광 코어는 최소 굴절률 n1 및 최대 굴절률 n0의 그레이디드 굴절률 프로파일을 가지며, 상기 광섬유는, 수학식
Figure 112015006153061-pct00003
에 의해 정의되는 광 통신 품질 기준(C)을 만족하는 개구수(NA)와 광 코어 반경(a)을 가지며,
여기에서,
Figure 112015006153061-pct00004
이고
Figure 112015006153061-pct00005
이며,
Δ는 정규화된 굴절률 차이이고,
최소 굴절률 n1 및 최대 굴절률 n0과 광 코어 반경(a)은 NA > 0.20, a > 10㎛ 및 |C| < 0.20이 되도록 선택된다.
따라서, 전술한 수학식에 의해 정의된 품질 기준을 만족하기 위하여 개구수와 코어 직경의 값을 조정함으로써, 본 발명은 높은 데이터 레이트 애플리케이션을 위한 광 특성의 측면에서 적절한 트레이드 오프를 가지면서 단일 모드 및 다중 모드 전송을 모두 지원하도록 최적화된 그레이디드 굴절률 광섬유를 제공한다.
그 목적으로, 본 발명은 광 섬유의 코어 직경과 개구수 사이의 트레이드 오프의 구축에 기초하여, 단일 모드 파장에서 비간섭성 및 간섭성 모드 노이즈를 상당히 감소시키고 다중 모드 파장에서 하이 모드 대역폭을 전달하게 한다. 사실, 발명자들은 그레이디드 굴절률 광섬유의 코어 직경과 개구수가 단일 모드 전송 파장에서 간섭성 신호대 잡음비와 비간섭성 신호대 잡음비 모두에 강하게 상관된다는 것을 발견하였다. 특히, 코어 직경을 감소시키는 것은 단일 모드 파장에서 더 낮은 비간섭성 및 간섭성 모드 노이즈를 촉진하고, 광섬유의 개구수를 증가시키는 것은 다중 모드 파장에서 더 많은 개수의 광 모드를 획득하게 하는 것으로 보인다.
하나의 유익한 특성에 따르면, 상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0과 상기 광 코어 반경(a)은 |C| < 0.10이 되도록 선택된다.
따라서, 간섭성 및 비간섭성 모드 노이즈는 더 감소된다.
또 하나의 유익한 특성에 따르면, 상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0과 상기 광 코어 반경(a)은 |C| < 0.05이 되도록 선택된다.
따라서, 간섭성 및 비간섭성 모드 노이즈는 훨씬 더 감소된다.
다른 유익한 특성에 따르면, 상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0과 상기 광 코어 반경(a)은 C < 0이 되도록 선택된다.
이는 더 큰 코어 반경을 촉진한다.
유익하게는, 상기 광 코어 반경은 a > 14 ㎛, 더욱 바람직하게는 a > 19 ㎛, 훨씬 더 바람직하게는 a = 25 ㎛이다.
다중 모드 광 전송 품질은, 예를 들어, 표준 직경 50 ㎛ 다중 모드 광섬유로, 접속손(splicing loss)을 낮춤으로써 훨씬 더 개선된다.
유익하게는, 상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0은 NA > 0.25, 더욱 바람직하게는 NA > 0.30, 훨씬 더 바람직하게는 NA > 0.34가 되도록 선택된다.
제1 특정 실시예에 따르면, 그레이디드 굴절률 프로파일은,
Figure 112015006153061-pct00006
에 의해 정의되는 단일 알파 그레이디드 굴절률 프로파일 n(r)이고,
여기에서,
r은 상기 광섬유의 반경을 나타내는 변수이고,
α는 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 α ≥ 1이다.
따라서, 상기 품질 기준을 만족하는 원하는 굴절률 프로파일의 함수로서 상이한 섬유 부분의 도핑을 조정하는 것만이 필요하기 때문에, 본 발명에 따른 광섬유는 제조하기 간단하고 비용이 적게 든다.
제2 특정 실시예에 따르면, 광 코어는, 내부 광 코어와, 내부 광 코어를 둘러싸는 외부 광 코어를 포함하고, 그레이디드 굴절률 프로파일은,
Figure 112015006153061-pct00007
에 의해 정의되는 트윈 알파 그레이디드 굴절률 프로파일 n(r)이고,
여기에서,
Figure 112015006153061-pct00008
이고,
r은 상기 광섬유의 반경을 나타내는 변수이고,
rt는 내부 광 코어의 반경이고,
n1'는 내부 광 코어의 최대 굴절률이고,
n2'는 외부 광 코어의 최대 굴절률이고,
Δ1은 내부 광 코어에 관한 정규화된 굴절률 차이이고,
Δ2는 외부 광 코어에 관한 정규화된 굴절률 차이이고,
α1은 내부 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 α1≥1이고,
α2는 외부 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 α2≥1이다.
따라서, 트윈 알파 그레이디드 굴절률 프로파일을 이용하여 다모드 분산(intermodal dispersion)을 최소화함으로써, 특히 광 통신 품질 기준에 의해 허용된 가장 큰 개구수에 대하여, 다중 모드 파장에서의 광섬유의 모드 대역폭이 최적화된다.
또한, 상기 품질 기준을 만족하는 원하는 굴절률 프로파일의 함수로서 상이한 섬유 부분의 도핑을 조정하는 것만이 필요하기 때문에, 그 대체 실시예에서의 광섬유는 제조하기 간단하고 비용이 적게 든다.
하나의 유익한 특성에 따르면, 광 클래딩은 광 코어를 둘러싸는 함몰된(depressed) 트렌치 또는 엔지니어링된 코어 클래딩 인터페이스를 포함한다.
함몰된 트렌치 보조식 광섬유는 코어 내에서 광 모드의 제한을 개선함으로써 거시 구부러짐 손실(macrobending loss)을 감소시키게 한다. 엔지니어링된 코어 클래딩 해결 방안은 클래딩 효과를 완화시켜 이에 따라 섬유의 모드 대역폭을 확대하는 것을 목적으로 한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 상이한 실시예들 중 임의의 것에서 전술한 적어도 하나의 광섬유를 포함하는 광 홈 네트워크와 같은 광 시스템에 관한 것이다.
이러한 광 시스템은, 예를 들어, LAN(local area network)과 MDU(multi-dwelling unit)와 같은 광 홈 네트워크일 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 특징 및 이점은 예시적이며 비소진적인 예로서 제공되는 이어지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 다음의 첨부된 도면으로부터 명백하게 될 것이다:
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 프로파일을 그래프로 제공한다;
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 프로파일을 그래프로 제공한다;
도 1b와 2b는 각각 도 1a와 2a의 광섬유에 수행되는 차동 모드 지연 측정을 도시한다;
도 3은 그레이디드 굴절률 광섬유의 개구수와 코어 반경의 함수로서 1550 nm의 파장에서의 비간섭성 신호대 잡음비를 그래프로 도시한다;
도 4는 그레이디드 굴절률 광섬유의 개구수와 코어 반경의 함수로서 1550 nm의 파장에서의 간섭성 신호대 잡음비를 그래프로 도시한다;
도 5는 본 발명에 따른 광 통신 품질 기준의 함수로서 1550 nm 및 1310 nm의 파장에서의 비간섭성 신호대 잡음비 및 간섭성 신호대 잡음비를 그래프로 도시한다;
도 6은 그레이디드 굴절률 광섬유의 개구수와 코어 직경의 함수로서 누적 접속 손실을 그래프로 도시한다;
도 7은 "EF(Encircled Flux)" 표준(IEC 61280-4-1)에 정의된 다중 모드 런치 조건(multimode launch condition) 하에서 누적 접속 손실을 측정하는데 사용되는 개략도를 도시한다;
도 8은 도 7의 개략도를 구현하는데 사용되는 EF 템플레이트를 그래프로 도시한다.
본 발명의 일반적인 원리는 개구수(numerical aperture)와 코어 직경의 값이 장거리(수십 내지 수백 미터)에 대하여 10 Gbps 동작을 위하여 850 nm 파장에서 높은 모드 대역폭을 가지며, 단일 모드 전송 시스템을 이용한 신뢰성 있는 고속 전송을 위하여 광섬유가 표준의 단일 모드 섬유와 결합될 때 감소된 모드 노이즈를 가지면서, 1550 nm 파장까지의 다중 모드 동작을 지원하도록 조정된 광섬유를 제안하는 것이다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 프로파일 n(r)을 도시한다. 이는 굴절률 값 n과 광섬유의 중심으로부터의 거리 r 사이의 관계를 설명한다.
제1 실시예에서, 광섬유는 다음과 같이 정의되는 굴절률 프로파일 n(r)을 갖는 그레이디드 굴절률 광섬유이다:
Figure 112015006153061-pct00009
여기에서,
r은 광섬유의 반경을 나타내는 변수이고,
a는 광 코어 반경이고,
Δ는 정규화된 굴절률 차이로서
Figure 112015006153061-pct00010
이고,
n1은 광 코어의 최소 굴절률이고,
n0은 광 코어의 최대 굴절률이고,
α는 목표 동작 파장에서 가장 큰 대역폭을 제공하도록 1.9와 2.2 사이에서 선택된 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터이다.
광섬유는, 0 ≤ r ≤ a에 대하여, 단일 알파 그레이디드 굴절률 프로파일을 구현하는 광 코어와, a ≤ r에 대하여, 광 코어를 직접 둘러싸며 표준의 일정한 굴절률을 갖는 광 클래딩을 포함한다. 광 코어의 알파 굴절률 프로파일은 광섬유의 다모드 분산(intermodal dispersion)을 감소시키는 것을 허용한다.
본 발명에 따라, 광 코어는 개구수(NA)와 코어 반경(a)(마이크로미터 단위로 표현됨)의 값들이, 다음의 수학식을 만족하도록 튜닝된다:
Figure 112015006153061-pct00011
NA는 정규화된 굴절률 차이(Δ)와 광 코어의 최대 굴절률(n0)에 다음과 같이 명료하게 연결된다:
Figure 112015006153061-pct00012
여기에서,
a > 10 ㎛이고,
|C| < 0.20이며, C는 광 통신 품질 기준을 나타내는 실수이다.
수학식 4를 만족시키도록 개구수(NA)와 코어 직경(a)의 값들을 조정함으로써, 본 발명은, 850 nm의 다중 모드 파장에서 높은 모드 대역폭을 유지하면서, 1550 nm의 단일 모드 파장에서 비간섭성 및 간섭성 모드 노이즈를 효율적으로 감소시키기에 최적화된 그레이디드 굴절률 광섬유를 제공한다.
발명자들은 수학식 4가 높은 데이터 레이트 애플리케이션에 대한 광 특성의 측면에서 적합한 트레이드 오프를 가지면서 단일 모드 및 다중 모드 전송을 모두 지원하는 것을 보장하는 광 통신 품질에 대한 미리 정해진 기준에 대응한다. 이 품질 기준은, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 코어 반경(a)과 개구수(NA)의 함수로서 비간섭성 신호대 잡음비
Figure 112015006153061-pct00013
및 간섭성 신호대 잡음비
Figure 112015006153061-pct00014
의 수치 평가를 통해 획득되었다.
왼쪽 y 축은 광 코어의 개구수(NA)를 나타내고, x 축은 광 코어 반경(a)을 나타낸다. 주어진 파라미터 쌍 (NA, a)에 대응하는 SNRincoherent(도 3)와 SNRcoherent(도 4)의 값이 오른쪽 y 축에서 회색 음영으로 도시된다.
발명자들은 그레이디드 굴절률 광섬유의 코어 반경과 개구수가 단일 모드 및 다중 모드 전송 파장의 모두에서 간섭성 신호대 잡음비와 비간섭성 신호대 잡음비에 모두 강하게 상관된다는 것을 발견하였다. 이 원리에 기초하여, 850 nm의 다중 모드 파장에서 가장 넓은 모드 대역폭을 전달하면서 1550 nm의 단일 모드 파장에서 모드 노이즈의 상당한 감소를 허용하는 관계를 구축하도록, SNRincoherent 및 SNRcoherent가 다양한 값의 개구수 및 코어 반경으로 시뮬레이션되었다. 품질 기준은, 10 ㎛보다 더 큰 코어 반경의 값에 대하여 SNRincoherent 및 SNRcoherent가 0 dB보다 더 크고, 더욱 바람직하게는, 1550 nm의 파장에서 SNRincoherent가 20 dB보다 대체로 더 크고, SNRcoherent가 10 dB보다 대체로 더 크다고 가정하여 이러한 수치 평가로부터 유도되었다.
특히, 코어 반경(a)을 감소시키고 개구수(NA)를 증가시키는 것이 1550 nm에서 더 큰 SNRincoherent 및 SNRcoherent를 촉진하는 것으로 이어지는 것으로 보인다. 또한, 개구수가 더 클수록 설정할 코어 반경이 상대적으로 더 높게 되는 것으로 보인다: 이렇게 함으로써, 다중 모드 광 전송이, 이더넷 고속 전송 네트워크에서와 같이, 장거리(수십 내지 수백 미터)에 대하여 높은 대역폭 애플리케이션(일반적으로 10 Gbps)의 요구를 만족시키도록 최적화될 수 있다.
절대적으로 예시적인 예로서(따라서 비한정적인 성질을 가짐), 도 1에 예시된 광 코어 반경(a)은 대략 19 ㎛이고 개구수(NA)는 대략 0.297이며, 이에 의해, 본 발명에 따라 구축되는 광 통신 품질 기준을 만족한다. 광 코어의 굴절률 프로파일의 파라미터 α는 대략 2.065이며, 정규화된 굴절률 차이(Δ)는 대략 2%이다(n1은 대략 1.457이고, n0은 대략 1.487이다).
본 발명의 이점은 종래 기술의 광섬유를 본 발명에 따른 예시적인 광섬유와 비교함으로써 더욱 명백하게 될 것이다. 아래의 표 1은 표준 그레이디드 굴절률 광섬유의 코어 반경과 개구수의 값과, 전술한 수학식 4를 이용하여 획득될 수 있는 품질 기준(C)의 값을 나타낸다. 종래 기술의 광섬유는 고속 네트워크에 대하여 850 nm의 파장(λ)의 광신호를 받는다.
a(㎛) NA C(a, NA)
25 0.200 -0.30
31.25 0.275 -0.35
40 0.290 -0.51
25 0.290 -0.21
도 5의 그래프는 도 1, 3, 4와 관련하여 위에서 논의되고 종래 기술의 그레이디드 굴절률 광섬유와 본 발명의 광섬유의 모두에 적용된 품질 기준(C)의 함수로서 1550 nm 및 1310 nm의 파장에서의 비간섭성 신호대 잡음비와 간섭성 신호대 잡음비를 도시한다. y 축은 SNRincoherent 및 SNRcoherent를 도시하며(dB 단위), x 축은 -0.60과 0.20 사이에 포함되는 품질 기준(C)의 상이한 값을 도시한다.
본 발명으로부터 기인하는 것과 비교하여 더 낮은 값의 SNR에 의해 결과적으로 반영되는 본 발명의 품질 기준(C)인 |C|<0.20을 만족하는 것을 허용하는 코어 굴절률 프로파일을 종래 기술의 광섬유의 어느 것도 소유하지 않는다는 것이 관찰될 수 있다. 이 그래프는 본 발명에 따른 모델이 양호한 품질 기준의 구축을 제공한다는 것을 보여준다.
또한, SNRincoherent 및 SNRcoherent를 더 개선하기 위하여, 품질 기준은 유익하게는 |C| < 0.10(즉, |NA-0.02×a| < 0.10)과 같이, 더욱 유익하게는 |C| < 0.05(즉, |NA-0.02×a| < 0.05)와 같이 설정될 수 있다. 이러한 신호대 잡음비는 C의 값이 0에 가까울 때 최대화된다는 것을 알 수 있다.
유익한 일 특성에 따라, 도 1의 광섬유의 굴절률 프로파일은 그레이디드 굴절률 코어와 클래딩 사이에 위치된 함몰된 굴절률 부분(depressed-index portion)(도 1에서는 미도시)를 포함할 수 있다. 함몰된 트렌치(depressed trench)라고도 불리는 이러한 함몰된 굴절률 부분은, 광섬유 클래딩에 대하여 음의 굴절률 차이를 가지며, 그 위치와 크기는 다중 모드 섬유의 곡률 손실(bend-loss) 저항을 개선하도록 설계된다.
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 프로파일 n(r)을 그래프로 제공한다.
제2 실시예에서, 광섬유는, 내부 광 코어 및 내부 광 코어를 둘러싸는 외부 광 코어인, 2개 부분으로 이루어진 광 코어를 보여주며, 그레이디드 굴절률 프로파일은 다음의 수학식에 의해 정의되는 트윈 알파 그레이디드 굴절률 프로파일 n(r)이다:
Figure 112015006153061-pct00015
여기에서,
Figure 112015006153061-pct00016
이고,
r은 상기 광섬유의 반경을 나타내는 변수이고,
a는 내부 및 외부 광 코어를 모두 포함하는 광 코어 반경이고,
rt는 내부 광 코어의 반경이고,
n1'는 내부 광 코어의 최대 굴절률이고,
n2'는 외부 광 코어의 최대 굴절률이고,
Δ1은 내부 광 코어에 관한 정규화된 굴절률 차이이고,
Δ2는 외부 광 코어에 관한 정규화된 굴절률 차이이고,
α1은 내부 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 α1≥1이고,
α2는 외부 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 α2≥1이다.
각각의 파라미터 Δ1, Δ2, n1' 및 n2'는 내부 코어로부터 외부 코어로의 전이에서 굴절률 프로파일과 이의 1차 도함수의 연속성을 보장한다.
이러한 특정 트윈 알파 굴절률 프로파일은 다중 모드 파장에서 광섬유의 모드 대역폭을 훨씬 더 개선할 수 있는 이점을 제공한다.
품질 기준에 관하여 도 1a, 3 내지 5와 관련하여 지금까지 논의된 모든 것은 필요한 부분만 약간 수정하여 본 발명의 제2 실시예에 적용된다. 또한, 광섬유의 모드 대역폭을 더 개선하기 위하여, 제2 실시예에 따른 섬유는 도 5에서 제공된 설명에 따라 전술한 바와 같이 함몰된 트렌치를 포함할 수 있다.
절대적으로 예시적인 예로서(따라서 비한정적인 성질을 가짐), 도 2a에 예시된 광 코어 반경(a)은 대략 19 ㎛이고 개구수(NA)는 대략 0.297이며, 이에 의해, 본 발명에 따라 구축되는 광 통신 품질 기준을 만족한다. 광 코어의 굴절률 프로파일의 파라미터 α1 및 α2는 각각 대략 2.0851 및 2.0433이다. 내부 광 코어의 반경(rt)은 대략 0.5 ㎛이다.
도 1b 및 2b의 그래프는 각각 도 1a 및 2a의 광섬유에 수행된 차동 모드 지연 측정(differential-mode-delay measurement)(이하, "DMD 측정"이라 함)(예를 들어, FOTP-220 표준에서 설명된 바와 같이)를 도시한다. 이러한 종류의 그래프는 각각의 연속하는 펄스 사이에서 반경 방향 오프셋을 가지면서 주어진 파장을 갖는 광 펄스를 다중 모드 광섬유로 연속적으로 주입함으로써 획득된다. 그 다음, 주어진 길이의 섬유 이후에 각 펄스의 지연이 측정된다. 광 코어의 코어 중심에 대하여 상이한 반경 방향 오프셋을 갖는 여러 개의 동일한 광 펄스가 주입된다. y 축은 광 코어의 코어 중심에 대한 마이크로미터 단위의 반경 방향 오프셋(도면에서 "반경 방향 런치(radial launch)"로 표시됨)를 나타내고, x 축은 나노 초 단위의 시간을 나타낸다. 이러한 DMD 측정으로부터, 광섬유의 유효 모드 대역폭을 결정하는 것이 가능하다. 도 1b 및 2b의 그래프로부터, 본 발명의 광섬유가 상대적으로 낮은 상이한 반경 방향 오프셋을 따라 전파하는 펄스들 사이에서 시차(time lag)를 제공하는 것으로 보여, 이에 따라 넓은 모드 대역폭을 가져다 준다. 또한, 트윈 알파 그레이디드 굴절률 프로파일(도 2b)의 이점을 알 수 있으며, 이는 단일 알파 그레이디드 굴절률 프로파일(도 1b)보다 좁은 차동 모드 지연 측정을 나타내며, 따라서 더 나은 모드 대역폭을 가진다.
18 ㎛보다 더 위에 있는 반경 방향 오프셋으로 수행된 DMD 측정이 적절하지 않다는 것이 주목되어야 한다. 특히, 왼쪽 그래프 상의 몇 개의 여러 펄스가 클래딩 효과에 의해 발생된 것이 관찰될 수 있다.
도 6은 단일 알파 그레이디드 굴절률 광 섬유의 개구수와 코어 반경의 함수로서 누적 접속 손실을 나타낸다.
왼쪽 y 축은 광 코어의 개구수(NA)를 나타내고, x 축은 광 코어의 반경(a)을 나타낸다. 주어진 파라미터 쌍 (NA, a)에 대응하는 누적 접속 손실(dB 단위로 표시됨)의 값이 오른쪽 y 축에서 음영으로 도시된다.
누적 접속 손실은 알려진 "EF(encircled flux)" 표준(IEC 61280-4-1)에서 정의된 감쇠를 측정하기 위하여 다중 모드 런치 조건(multimode launch condition) 하에서 850 nm 파장에서 측정된다. EF에 의해 정의되는 런치 조건의 원리는 도 8에서 상기된다. EF는 섬유의 반경에 대하여 광섬유의 전력 출력의 적분을 정의한다.
도 7에서 도시된 바와 같이, EF 표준 조건에 따라 누적 접속 손실의 특징을 기술하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유(70)는 그 상에 결합된 다중 모드 광원(71)의 스폿을 받는다. 그 다음, 스폿의 근시 야상(near field pattern)이 수신기(72)에 의해 광섬유의 출력에서 관찰되고 P1 및 P2 레벨에서 누적 접속 손실을 평가하기 위하여 후처리된다. 다른 말로 하면, "누적 접속 손실"은 연결부 P1 및 P2에서 누적되어 측정된 손실을 의미한다.
도 6으로부터, 적합한 누적 손실을 위하여, 광 코어 반경(a)은 20 ㎛보다 큰 것으로 보인다. 예를 들어 |C| < 0.1이 되도록 품질 기준(C)을 선택하면, 개구수는 0.30보다 더 클 것이다. 이러한 값으로, 개구수(NA) 및 광 코어 반경(a)은 전술한 수학식 4에 따라 정의된 바와 같은 품질 기준(C)을 만족한다. 도 6의 예시를 완성시키기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유에 대하여 적용된 코어 반경(a), 개구수(NA) 및 기준(C)의 몇 개의 상호 보완적인 값이 아래의 표 2에 나타나며, 측정된 누적 손실과 비교된다.
a(㎛) NA C(a, NA) 누적 손실(dB)
24 0.28 -0.20 1.0
19 0.28 -0.10 2.2
16.5 0.28 -0.05 3.1
27.5 0.35 -0.20 1.0
22.5 0.35 -0.10 1.4
20 0.35 -0.05 1.8
0.35의 NA에 대하여, 본 발명의 광섬유가 NA의 값이 0.28인 것에 대한 것보다 더 큰 코어 반경을 허용한다는 것이 명백하게 되며, 이는 감소된 누적 손실을 획득할 수 있게 한다.
마지막으로, 신호대 잡음비를 개선하는 것에 더하여, 광섬유의 개구수를 증가시키는 것은 다중 모드 파장에서 더 많은 개수의 광 모드를 획득할 수 있게 된다. 섬유에서 가이드된 광 모드의 개수는 개구수와 광 코어 반경의 함수이다. 특히, 가이드된 광 모드의 개수는 다음의 수학식을 이용하여 결정될 수 있다.
Figure 112015006153061-pct00017

여기에서,
a는 광 코어 반경이고,
Δ는 정규화된 굴절률 차이로서
Figure 112015006153061-pct00018
이고,
α는 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 1.9 및 2.2 사이에 포함되고,
N은 광 모드의 개수이다.

Claims (10)

  1. 광 코어 및 상기 광 코어를 둘러싸는 광 클래딩을 포함하는 광섬유에 있어서, 상기 광 코어는 최소 굴절률 n1 및 최대 굴절률 n0의 그레이디드 굴절률 프로파일을 가지며,
    상기 광섬유는, 수학식
    Figure 112015006153061-pct00019
    에 의해 정의되는 광 통신 품질 기준(C)을 만족하는 개구수(NA)와 광 코어 반경(a)을 갖는 것을 특징으로 하며,
    여기에서,
    Figure 112015006153061-pct00020
    이고
    Figure 112015006153061-pct00021
    이며,
    Δ는 정규화된 굴절률 차이이고,
    상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0과 상기 광 코어 반경(a)은 NA > 0.20, a > 10㎛ 및 |C| < 0.20이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는,
    광섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0과 상기 광 코어 반경(a)은 |C| < 0.10이 되도록 선택되는,
    광섬유.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0과 상기 광 코어 반경(a)은 |C| < 0.05이 되도록 선택되는,
    광섬유.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0과 상기 광 코어 반경(a)은 C < 0이 되도록 선택되는,
    광섬유.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 코어 반경은 a > 14 ㎛, a > 19 ㎛, 또는 a = 25 ㎛인,
    광섬유.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최소 굴절률 n1 및 상기 최대 굴절률 n0은 NA > 0.25, NA > 0.30, 또는 NA > 0.34가 되도록 선택되는,
    광섬유.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그레이디드 굴절률 프로파일은,
    Figure 112015048250155-pct00022

    에 의해 정의되는 단일 알파 그레이디드 굴절률 프로파일 n(r)이고,
    r은 상기 광섬유의 반경을 나타내는 변수이고,
    α는 상기 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 α ≥ 1인,
    광섬유.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 코어는 내부 광 코어와 상기 내부 광 코어를 둘러싸는 외부 광 코어를 포함하고,
    상기 그레이디드 굴절률 프로파일은,
    Figure 112015048250155-pct00023

    에 의해 정의되는 트윈 알파 그레이디드 굴절률 프로파일 n(r)이고,
    Figure 112015048250155-pct00024
    이고,
    r은 상기 광섬유의 반경을 나타내는 변수이고,
    rt는 상기 내부 광 코어의 반경이고,
    n1'는 상기 내부 광 코어의 최대 굴절률이고,
    n2'는 상기 외부 광 코어의 최대 굴절률이고,
    Δ1은 상기 내부 광 코어에 관한 정규화된 굴절률 차이이고,
    Δ2는 상기 외부 광 코어에 관한 정규화된 굴절률 차이이고,
    α1은 상기 내부 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 α1≥1이고,
    α2는 상기 외부 광 코어의 굴절률 프로파일 형상을 정의하는 무차원 파라미터로서 α2≥1인,
    광섬유.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 클래딩은 상기 광 코어를 둘러싸는 함몰된 트렌치(depressed trench)를 포함하는,
    광섬유.
  10. 제1항 또는 제2항에 따른 적어도 하나의 광섬유를 포함하는 광 시스템.
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