KR19990029630A

KR19990029630A - 파장분할 다중통신용 광섬유

Info

Publication number: KR19990029630A
Application number: KR1019980036992A
Authority: KR
Inventors: 백운출; 오경환; 송계휴; 리시아오준; 남궁기운; 오승헌
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-09-13
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 1999-04-26
Also published as: KR100433297B1; KR19990025725A; CN1211739A; CN1093267C; US6307993B1

Abstract

본 발명은 파장 분할 다중 통신용 광섬유에 관한 것으로, 중심축으로부터 소정 크기의 반경으로 형성되어 일정한 굴절율을 가지는 인너 코아; 상기 인너 코아의 굴절율보다는 작으면서 내측으로부터 외측으로 선형적으로 감소되는 굴절율을 가지며, 상기 인너코아의 외측에 소정 크기의 반경으로 형성된 아웃터 코아; 및 상기 아웃터 코아의 외측에 소정 크기의 반경을 가지고 형성된 클래드를 포함하는 것을 특징으로 하여, 광도파관의 굴절율을 용이하게 조절하여 색분산을 소망하는 사용 파장 대역에서 최적화할 수 있다.

Description

파장분할 다중통신용 광섬유

본 발명은 파장 분할 다중(Wavelength Division Multiplexing; WDM) 통신용 광섬유에 관한 것으로, 특히 광도파관(optical waveguide)의 굴절율을 용이하게 조절하여 색분산(chromatic dispersion)을 소망하는 사용 파장 대역에서 최적화하도록 한 프로파일을 갖는 광섬유에 관한 것이다.

통상적으로, WDM 통신이라 함은 파장이 다른 여러 개의 광신호를 한 가닥의 광섬유를 통하여 전송하는 형태의 통신방식을 의미하며, 현재 WDM 통신기술은 넓은 파장 대역에 걸쳐 광섬유의 저손실 특성을 유용하게 이용할 수 있어 점차적으로 그 이용이 확산되고 있는 실정이다.

상기와 같은 WDM 통신에서 가장 널리 이용되는 광섬유는 1550nm 파장대역의 신호를 전송할 수 있도록 비교적 넓은 통신영역을 가져야 하는 것으로 알려져 있다. 1550nm 파장대역의 통신영역을 갖는 광섬유의 장점은 저손실(low attenuation)을 취할 수 있다는데 있다. 이와 같이 1550nm 파장대의 통신영역을 갖는 광섬유가 저손실을 취할 수 있는 이유는 실리카(silica)를 재료로 이용한 광섬유의 특징상 1550nm 파장대역의 빛이 광섬유의 코아를 전파할 때 그 빛의 감쇄량이 가장 작기 때문이다. 따라서, 1550nm 파장대역 신호를 전송할 수 있는 전송영역을 갖는 광섬유를 이용하여 통신을 하게 되면 중계기들의 설치 간격을 넓게 할 수 있어 장거리 전송시 유지보수 비용을 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

1550nm 파장대역 신호 광통신의 또 하나의 장점은 광섬유 자체를 이용하여 광신호를 증폭할 수 있다는 것이다. 이러한 광 증폭에 의하여 외부의 증폭기의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 외부의 제너레이터가 필요하지 않게 되어 비용 절감 이외에도 전송시스템의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 이점을 갖는다.

1550nm 파장 대역의 통신영역을 갖는 광섬유로서 현재 범용화된 것은 분산천이 광섬유(Dispersion Shifted Fiber; 이하에서 DSF라 칭함)를 예로 들 수 있다. 상기 DSF는 1550nm 파장에서 색분산이 0으로서, 1550nm 파장의 신호를 전송하는데 유용하게 사용된다. 이러한 분산천이 광섬유의 대표적인 예로서는 Venkata A. Bhagavatula에 의하여 발명되어 미합중국에서 특허된 제4,715,697호(발명의 명칭: 저분산 저손실 단일모드 광도파관)을 들 수 있다.

또한 광증폭기로는 희토류의 물질을 광섬유의 코아에 첨가한 희토류 첨가 광섬유(rare earth ion doped fiber)를 이용한다. 이러한 희토류의 물질로는 어븀(Erbium), 네오디뮴(Neodymium), 프라세오디뮴(Praseodymium) 등이 대표적이다. 이들 희토류 물질 중 어븀이 코아에 첨가된 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbuim Doped Fiber Amplifier; 이하에서 EDFA라 칭함)가 가장 널리 이용되며, 이러한 EDFA를 이용하여 광통신망을 구현할 수 있다.

EDFA는 1530nm 파장대역에서 최대의 이득을 나타내는 특성을 갖고 있으며, 주로 그 증폭효과를 이용할 수 있는 파장대역의 구간은 대략 1530nm-1565nm로 알려져 있다. 현재의 광섬유 및 이를 이용한 광통신의 기술은 EDFA의 증폭특성을 충분히 활용할 수 있는 파장대역 구간을 넓히는 것과, 파장대역 별로 이득의 값이 차이나는 부분을 평탄화(flatten)하는데 많은 노력이 이루어지고 있다.

현재, WDM 통신용의 단일모드 광섬유들은 색분산의 기울기와 영분산 파장이 1550nm에 맞추어져 제작되고 있다. 그러나, 이 경우 포-웨이브 믹싱(four-wave mixing)과 같은 비선형 효과(nonlinear effect) 때문에 다채널(multi-channel) 전송에 제약이 되며, 광섬유의 파장대역이 EDFA의 이득 파장영역과 일치하지 않아 다채널 전송을 더욱 어렵게 한다. 또한 영분산 파장이 1550nm에 맞추어진 광섬유들은 색분산의 기울기가 EDFA의 이득 파장대와 일치하지 않는다. 이와 같은 영분산파장을 갖는 광섬유들은 색분산 기울기가 조금만 변화하여도 그 전송 품질이 급격히 나빠지는 제약을 가져온다.

상기와 같은 비선형 효과의 상승을 억제하기 위해서는 광섬유에서 색분산을 조절하여 EDFA의 게인 파장대역에서 영분산이 되지 않는 특성을 갖도록 하여야 한다. 즉, 현재 EDFA의 이득 파장 영역에서 포-웨이브 믹싱과 같은 비선형 효과를 최소화 또는 없애기 위해 1350nm-1560nm 파장영역에서 영분산되지 않는 특성을 갖도록 광섬유를 설계하여야 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 코아 중앙에서 평탄한(flat) 굴절율을 갖도록 하고 코아경을 작게하여, 외부의 응력이나 스트레스에 의한 영향을 비교적 적게 받도록 하는 프로파일의 구조를 갖는 광섬유를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 EDFA의 이득파장영역에서 비선형 효과를 최소화하기 위하여 영이 아닌 분산영역(non-zero dispersion region)을 비교적 넓게 갖는 광섬유를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 단면도 구조를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 인덱스 프로파일을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 굴절율 특성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 파장별 분산 및 이득특성을 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 다른 프로파일을 갖는 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 굴절율 특성도이다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 파장 분할 다중 광통신용 광섬유는, 중심축으로부터 소정 크기의 반경으로 형성되어 일정한 굴절율을 가지는 인너 코아; 상기 인너 코아의 굴절율보다는 작으면서 내측으로부터 외측으로 선형적으로 감소되는 굴절율을 가지며, 상기 인너코아의 외측에 소정 크기의 반경으로 형성된 아웃터 코아; 및 상기 아웃터 코아의 외측에 소정 크기의 반경을 가지고 형성된 클래드를 포함하며, 1550nm 파장에서 2.0 - 4.0 ps nm^-1Km^-1의 분산값을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 파장 분할 다중 광통신용 광섬유는, 중심축으로부터 소정 크기의 반경으로 형성되어 일정한 굴절율을 가지는 인너 코아; 상기 인너 코아의 굴절율보다는 작으면서 내측으로부터 외측으로 선형적으로 감소되는 굴절율을 가지며, 상기 인너코아의 외측에 소정 크기의 반경으로 형성된 아웃터 코아; 상기 아웃터 코아의 외측에 소정 크기의 반경을 가지고 형성된 인너 클래드; 및 상기 인너 클래드의 굴절율보다는 작으면서 내측으로부터 외측으로 선형적으로 감소되는 굴절율을 가지며, 상기 인너 클래드의 외측에 소정 크기의 반경으로 형성된 아웃터 클래드를 포함하며, 1550nm 파장에서 2.0 - 4.0 ps nm^-1Km^-1의 분산값을 갖는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외의 부분은 본 발명의 요지를 흐트리지 않도록 생략될 것이라는 것에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 단면도 구조를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 WDM 광섬유는 중심에 지름 a0의 크기를 가지는 인너 코아(12)가 형성되어 있다. 상기 인너 코아(12)의 외측에는 지름 b0(여기서, b0 a0)의 크기를 가지는 아웃터 코아(14)가 증착 형성된다. 그리고, 상기 아웃터 코아(14)의 외측에는 인너 클래드(16)와 아웃터 클래드(18)가 형성되어 있다. 도 1과 같은 구조를 갖는 WDM용 광섬유는 증착용 석영관을 이용한 MCVD(Modified Chemical Vapour Deposition) 기법을 이용하여 아웃터 클래드(18)로부터 인너 코아(12) 순으로 증착하여 형성한다.

도 1에 도시된 인너 코아(12)의 굴절율은 n₁으로 동일하며, 아웃터 코아(14)의 굴절율 n₂는 내측으로부터 외측으로 갈수록 선형적으로 감소되는 프로파일의 구조를 갖는다. 이와 같은 프로파일의 구조는 도 2를 참조함으로써 보다 용이하게 이해할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 인덱스 프로파일을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 중심축으로부터 소정 크기의 직경 a0 로 형성되어 일정한 굴절율을 가지는 인너 코아(12)와, 내측으로부터 외측으로 점차적으로 감소하는 굴절율을 가지고 상기 인너 코아(12)의 외측에 소정 크기의 직경 b0 로 형성된 아웃터 코아(14)와, 상기 아웃터 코아(14)의 외측에 소정 크기의 직경 c0 를 가지고 상기 아웃터 코아(14)에서의 굴절율 최소값보다 작은 굴절율을 가지는 인너 클래드(16) 및 상기 인너 클래드(16)의 외측에 상기 인너 클래드(16)의 굴절율보다 훨씬 작은 굴절율을 가지는 아웃터 클래드(18)가 형성되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 인너 코아(12), 아웃터 코아(14), 및 인너 클래드(16) 아웃터 클래드(18)에 대한 굴절율을 설명하는 굴절율 특성도이다. 도면에서 횡축은 광섬유의 반경(μm)을 나타내고, 종축은 굴절율 차를 나타낸다. 본 발명은 인너 코아(12)의 굴절율의 분포가 수평적이며, 아웃터 코아(14)의 굴절율이 코아의 중심으로부터 외측으로 갈수록 감소한다는 것에 특징적이라는 점을 이해하여야 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예의 WDM용 광섬유의 프로파일 구조 및 그 특성을 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2에서 설명된 바와 같은 프로파일의 구조를 갖는 WDM용 광섬유는 인너 코아(12) 및 아웃터 코아(14)를 모두 포함하는 코아의 직경을 작게 함과 아울러 굴절율은 높게 하여, 넓은 파장영역, 예를 들면 파장이 1530nm-1570nm의 영역에 걸쳐 영분산이 아닌 구간(NZD)을 갖도록 한 것이다. 또한 WDM용 광섬유의 코아 중앙부분은 굴절율을 일정하고 평평하게 하고 코아의 직경은 작게 하여, 외부의 응력이나 스트레스에 의하여 영향을 많이 받지 않도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 파장별 분산 및 이득특성을 도시한 도면이다. 본 발명에 의하면, 영분산이 아닌 구간(NZD)은 1530nm-1570nm의 파장영역에 대응하며, 1550nm 파장대에서는 2.0 ps nm^-1Km^-1이상의 분산값을 갖는다는 것을 알 수 있다.

파장 분할 다중 통신용 광섬유는 일반 단일모드 광섬유에 비하여 높은 굴절율 값과 작은 코아직경으로 된 프로파일을 가지며, 코아의 직경 및 굴절율 값에 의하여 대부분의 광특성이 결정된다. 따라서 균일한 광특성을 얻기 위해서는 코아의 직경 및 굴절율의 변화가 작아야만 한다. 본 발명에 따른 프로파일을 갖는 광섬유와 코아의 중심에서 최고의 굴절율을 갖는 삼각형 구조의 프로파일을 갖는 광섬유를 서로 비교해 보면, 코아직경 및 코아 굴절율의 변화에 의한 특성의 변화가 전자가 후자보다 비교적 더 낮다. 즉, 본 발명에 의하면 코아 직경의 변화에 대하여 코아 굴절율의 변화가 매우 작아 전체적인 광특성의 변화도 적게 된다.

한편, 벤딩(bending)으로 인한 영향에 민감하지 않는 광특성을 얻기 위해서는 차단파장이 비교적 커야 한다. 차단 파장의 값이 크기 위해서는 코아직경을 변경시키거나 코아의 구조를 스텝형태로 하여야 한다. 본 발명에서는 아웃터 코아가 점차로 감소하는 굴절율을 가지는 구조를 가짐으로써, 삼각형 구조에 기인하여 손실특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 아웃터 코아의 큰 하부 직경에 기인하여 상대적으로 큰 차단파장값을 가질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 파장 분할 다중 통신용 광섬유의 다른 프로파일을 도시한 도면이다. 도면에서 횡축은 광섬유의 반경(μm)을 나타내고, 종축은 굴절율을 나타내며, 광섬유의 중심에서부터 차례로 인너 코아(12), 아웃터 코아(14), 인너 클래드(16) 및 아웃터 클래드(18)에 대한 굴절율을 나타낸다. 도 5에 도시된 광섬유의 구조를 도 3에 도시된 광섬유의 구조와 비교하면, 아웃터 클래드(18)의 굴절율이 평평하지 아니하고 일정한 기울기로 감소한다는 것이다.

광섬유는 클래드 및 코아의 성분조성 차이에 의하여 발생되는 점도(viscosity) 차이로 인하여 잔여 스트레스(residual stress)가 증가하여 손실이 증가하게 된다. 그러나 본 발명에서는 아웃터 클래드 및 아웃터 코아의 굴절율이 점차적으로 감소하는 구조를 갖게 함으로써 코아와 클래드 간의 급격한 점도 차이를 줄여 줄 수 있으며, 그에 따라 점도 차이로 인한 잔여 스트레스를 감소시킬 수 있어 저손실의 광특성을 구현할 수 있다.

본 발명의 예에서는, 아웃터 코아(14)의 굴절율 기울기와 아웃터 클래드(18)의 굴절율 기울기는 동일한 값으로 하는 것이 바람직하며, 특히 그 값이 0.003에서 0.005의 범위의 값을 갖도록 하면 보다 바람직한 광특성, 예컨대 큰 차단파장값이나 보다 넓은 영이 아닌 분산구간 특성 등을 얻을 수 있다. 여기서, 굴절율 기울기는 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 의하면, 코아영역을 적어도 두 개 이상으로 구분되는 멀티 코아의 형태로 제작하되 코아의 중심부의 굴절율의 프로파일은 평탄한 특성을 가지도록 하고 반면 그 바깥쪽 코아영역의 굴절율의 프로파일은 선형적으로 감소하는 특성을 갖도록 함으로써, EDFA의 이득 파장 영역에서 낮은 색분산 기울기를 가지게 되어 WDM 전송이 가능한 파장대역이 넓어지며, 또한 다중화시 채널 스페이싱을 널힐 수 있으며 많은 전송파장을 사용할 수 있어 통신용량이 증가된다. 또한 본 발명에 의하면 상대적으로 높은 값의 차단파장을 가지게 되어 외부의 응력이나 스트레스에 의한 영향을 비교적 작게할 수 있으며, 클래드와 코아와의 점도 불균형에 의한 잔여 스트레스를 감소시켜 손실을 줄일 수 있다.

Claims

파장 분할 다중 광통신용 광섬유에 있어서,

중심축으로부터 소정 크기의 반경으로 형성되어 일정한 굴절율을 가지는 인너 코아;

상기 인너 코아의 굴절율보다는 작으면서 내측으로부터 외측으로 선형적으로 감소되는 굴절율을 가지며, 상기 인너코아의 외측에 소정 크기의 반경으로 형성된 아웃터 코아; 및

상기 아웃터 코아의 외측에 소정 크기의 반경을 가지고 형성된 클래드를 포함하며,

1550nm 파장에서 2.0 - 4.0 ps nm^-1Km^-1의 분산값을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 클래드는

상기 아웃터 코아의 최소 굴절율보다 작은 굴절율을 가지는 인너 클래드; 및

상기 인너 클래드의 외측에 상기 인너 클래드의 굴절율보다 작은 굴절율을 가지는 아웃터 클래드로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유.
파장 분할 다중 광통신용 광섬유에 있어서,

중심축으로부터 소정 크기의 반경으로 형성되어 일정한 굴절율을 가지는 인너 코아;

상기 인너 코아의 굴절율보다는 작으면서 내측으로부터 외측으로 선형적으로 감소되는 굴절율을 가지며, 상기 인너코아의 외측에 소정 크기의 반경으로 형성된 아웃터 코아;

상기 아웃터 코아의 외측에 소정 크기의 반경을 가지고 형성된 인너 클래드; 및

상기 인너 클래드의 굴절율보다는 작으면서 내측으로부터 외측으로 선형적으로 감소되는 굴절율을 가지며, 상기 인너 클래드의 외측에 소정 크기의 반경으로 형성된 아웃터 클래드를 포함하며,

1550nm 파장에서 2.0 - 4.0 ps nm^-1Km^-1의 분산값을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유.
제3항에 있어서,

상기 아웃터 코아의 굴절율 기울기와 상기 아웃터 클래드의 굴절율 기울기가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 광섬유.
제3항에 있어서,

상기 아웃터 코아의 굴절율 기울기 또는 상기 아웃터 클래드의 굴절율 기울기가 0.003에서 0.005의 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유.