KR20010021886A - 광섬유 내에서 자극받은 브릴로인 산란의 억제방법 - Google Patents

광섬유 내에서 자극받은 브릴로인 산란의 억제방법 Download PDF

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알프레드 엘. 미첼슨
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Abstract

SBS 양자 및/또는 음자에 관여하는 에너지 스펙트럼을 확장시킴으로써 자극받은 브릴로인 산란 (SBS)의 억제가 포스포러스 및 불소와 같은 유리 변형 도핑제의 선택적인 층에 의해 제공되는 방사상으로 불균일한 점도 및 CTE를 갖는 코아를 갖는 광섬유에서 달성된다. 상기 불균일한 열팽창 및 점도 프로파일은 상기 섬유에 잔류의, 영구적인, 불균일한 응력을 부여한다. 상기 불균일한 응력에 의해 제공된 SBS 억제 효과는 인발되는 섬유에 균일하거나 불균일한 장력을 적용시킴으로써 조절되고 강화될 수 있다. 상기 섬유를 위한 예형도 또한 기술하고 있다.

Description

광섬유 내에서 자극받은 브릴로인 산란의 억제방법{Suppression of stimulated brillouin scattering in optical fiber}
발명의 배경
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 광섬유에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 자극받은 브릴로인 산란 (stimulated Brillouin scattering, SBS)의 억제에 기인한 증가된 파워 (power) 조절 능력을 갖는 광섬유 및 이의 제조방법 및 이를 위한 섬유 예형에 관한 것이다.
관련 기술 설명
광학적 비선형의 자극받은 브릴로인 산란 (SBS)은 광섬유 전송 시스템의 최대 광학적 파워 처리량 (power throughput)을 제한한다. 입력 파워가 문턱값 파워 (threshold power)로 알려진 값 이상으로 증가한다면, 상기 광섬유를 따라 전송될 수 있는 파워는 상한값에 도달한다. 섬유에 대한 부가적인 입력 파워는 더 높은 파워 신호로서 발사 방향, 즉, 전진보다는 음향 음자 (acoustic phonon)와의 상호작용에 기인한 후진 방향으로 산란한다. 결과적으로 소위 SBS는 수신기에서 신호 대 잡음비 (signal to noise ratio)를 감소시키며, 반사광의 입사에 기인하여 전송기를 불안정하게 할 수 있다. 또한, 광 증폭기, 고형 Nd:YAG 레이저 및 매우 긴 거리에 걸친 데이타 속도를 증가시킬 때의 외부 모듈레이션 (external modulation) 사용의 증가는 디지탈 및 CATV 분야 모두에서 SBS를 악화시킨다. SBS는 유리 매트릭스의 음향 음자와 광 양자의 상호작용이다. 문턱값 파워를 증가시키기 위해 문헌에 제시된 기술들은 SBS의 악영향을 감소시키며, 예를 들면 광원의 양자 에너지 스펙트럼 또는 상호작용 효율을 감소시키기 위한 상기 유리의 음자 에너지 스펙트럼을 확산시키는 것에 의존하여 섬유의 파워 조절 능력을 증가시킨다. 한 기록된 방법에서는 기본 불소 농도를 변화시킴으로써 섬유의 길이 (축 방향)를 따라 굴절율 프로파일 (profile)을 변화시키는 것을 제안하고 있다. 또다른 방법은 음향 음자의 에너지 분포를 변화시키기 위해 응력 (stress)을 유도하는 중앙 막대 주변의 섬유를 포장 (wrapping)하는 방법을 제안하고 있다. 상기 섬유의 축 방향을 따라 굴절율을 변화시키는 방법의 몇몇 단점 및 치밀한 섬유 포장은 다른 섬유 특성에서 바람직하지 않은 변화를 유도하며 섬유 수명에 영향을 주는 약화(fatique)를 증가시킨다. Wada 등의 Suppression of stimulated Brillouin scattering by intentionally induced periodical residual-strain in single-mode optical fibers, Proceedings of European Conference on Optical Comm., 1991, Paper MoB1은 음자 에너지 분포를 확장시키고, SBS 상호작용을 감소시키는 섬유 길이를 따라 주기적인 잔류 왜곡 (strain)을 유도하는 인발 장력 (draw tension)을 적용하는 것을 제안하고 있다. 상기 문헌은 SiO2코아 (core) 및 F-SiO2클래딩 (cladding)을 갖는 계단형-굴절율 (step-index) 섬유를 기술하고 있다. 상기 F-도핑된 클래딩은 더 낮은 점도를 가지기 때문에, 상기 인발 장력은 주로 인발 장력의 함수로서 상기 잔류 왜곡의 변화를 초래하는 코아에 적용된다. 상기 잔류 왜곡은 브릴로인 게인 (gain) 스펙트럼의 중앙 주파수를 계속적으로 이동시킴으로써 섬유의 효과적인 게인 선너비(linewith)를 확장시킨다. 상기 문헌은 게르마늄-도핑 실리카 코아/도핑되지 않은 실리카 클래딩 단일-모드 섬유에서 인발 장력-유도된 SBS 억제가 무시할만함을 기재하고 있다. 더 최근에 공개된, Headly 등의 OFC '97, Paper WL25, Tech. Digest.는 최적화된 인발 장력 프로파일 및 기록된 최대 허용가능한 인발 장력 변화에 대하여 상기 타입의 섬유에 대한 문턱값 파워에서 모데스트 (modest) 3 dB 증가를 기술하고 있다.
발명의 요약
따라서, 본 발명은 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광섬유, 및 방사상으로 불균일한 열팽창 계수 (CTE) 및 점도 프로파일을 갖는, 섬유로 인발될 수 있는 섬유 예형에 관한 것으로, 이는 결과적으로 형성된 유리 구조의 점도-탄성 및 열-탄성 특성을 통한 영구적인 다양한 응력 (stress) 프로파일을 부여한다. 바꿔 말하면, 상기 응력 프로파일은 부분적인 밀도를 변화시켜 상기 섬유의 파워 조절 능력을 향상시키고 SBS를 억제하는 작용을 하는 음향 에너지 (또는 속도)의 범위를 확대시킨다. 또한, 본 발명은 상기 섬유 및 예형을 제조하기 위한 방법, 및 상기 섬유 내의 영구적인 다양한 응력의 SBS 억제 효과를 강화시키기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 부가적인 특성 및 장점은 하기 상세한 설명에 설명될 것이고, 부분적으로는 상세한 설명에서 분명해지거나, 본 발명의 실시예에 의해 알려질 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 장점은 첨부 도면 뿐만 아니라, 상세한 설명 및 청구범위에 기재된 장치 및 방법에 의해 구체화될 것이다.
본 발명의 목적에 따라, 상기 및 다른 장점을 달성하기 위해, 본 발명의 한 실시예는 코아의 중앙 및 최외곽 영역 사이에, 부분적으로, 방사상으로 불균일한 CTE 및 점도 프로파일을 갖는 코아 (이하, "도핑된 영역"), 및 상기 코아의 최외곽 영역을 둘러싸고 있는 클래딩을 포함하는 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광도파관 섬유를 기재하고 있다. 상기 실시예의 한 목적으로, 상기 방사상으로 불균일한 CTE 및 점도 프로파일을 갖는 코아의 일부는 다양한 조성의 도핑제 층에 의해 제공된 더 높은 및 더 낮은 CTE 및 점도를 변화시키는 (즉, 기계적 구조를 변형시키는 단계를 제공하는) 직접적으로 인접한 환상 영역 (annuli)을 포함한다. 상기 섬유는 그의 전개 축을 따라 (즉, 축 방향으로) 실질적으로 인정한 및/또는 균일한 효과적인 굴절율 프로파일을 갖는다. 상기 실시예의 또다른 목적으로, GeO2, GeO2+P2O5, 또는 GeO2+F로 도핑된 SiO2로 필수적으로 이루어진 상기 환상 영역 (층)은 대부분의 경우, SiO2또는 SiO2+F로 필수적으로 이루어진 인접 층보다 더 높은 CTE 및 더 낮은 점도를 나타낼 것이다. 상기 실시예의 또다른 목적으로, 상기 도핑된 영역은 실질적으로 하기 식에 비례하는 광학적 파워 피크 (peak)의 평균-면적 값이 최대인 코아의 중앙으로부터 방사상 지점에 위치한다.
여기서, (E)는 전기장을 나타내며, (r)은 섬유 코아 반지름이며, (dr)은 미분 반지름이다.
또다른 실시예에서, 본 발명은 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광도파관 섬유가 인발될 수 있는 섬유 전구체, 이하, (섬유) 예형을 기재하고 있다. 상기 예형은 코아 중앙과 코아의 최외곽 영역 사이의 코아 영역의 일부분 (도핑된 영역)에서 방사상으로 불균일한 CTE 및 점도 프로파일을 갖는 코아 영역 및 상기 코아의 최외곽 영역을 둘러싸고 있는 클래딩 성분을 포함한다.
상기 실시예의 한 목적으로, 상기 도핑된 영역은 반복되는 도핑제에 의해 제공된 점도 및 다른 CTE의 직접적으로 인접한 환상 구성 층을 포함한다. 상기 예형은 실질적으로 축 방향으로 실질적으로 일정한 및/또는 균일한 효과적인 굴절율 프로파일을 갖는다. 인발되는 예형의 섬유 모방 특성의 광학적 및 조성상 특성은 당업자에게 공지의 사실이기 때문에, 상기 예형 코아 영역은 유사하게 GeO2, GeO2+P2O5또는 GeO2+F로 도핑된 SiO2의 층을 가질 것이며, SiO2또는 SiO2+F 층을 번갈아 사용하여, CTE 및 점도의 방사상으로 불균일한 프로파일을 제공한다. 비록, 상술한 각각의 실시예에서, 상기 코아 변형 도핑제는 포스포러스 (phosphorous) 및 불소 (fluorine)을 포함할지라도, 당업자라면 유사한 효과를 제공하는 다른 도핑제를 알 수 있을 것이다.
바람직한 층 조성물 및 도핑제 수준은 섬유 내의 열-탄성 및 점도-탄성-유도된 응력의 바람직한 상호작용에 의해 지시될 것이다. 격 층의 사이에서, 결과적으로 생긴 방사상 왜곡, ΔL/L (여기서 L = 특정 층의 두께)은 적어도 >0.001이고, 바람직하게는 >0.002이며, 상기 유리의 기계적 약화에 의해 상한가가 결정될 것이다.
본 발명의 또다른 실시예는 방사상으로 불균일한 CTE 및 점도 프로파일과 실질적으로 축 방향의 균일한 굴절율 프로파일을 갖는 섬유 예형을 제공하는 단계; 섬유를 인발하기에 충분한 온도까지 상기 예형의 말단을 가열하는 단계; 및 섬유를 인발하는 단계를 포함하는 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광도파관 섬유의 제조방법을 제공한다. 상기 실시예의 목적으로, 상기 방법은 섬유가 인발될 때 상기 섬유에 균일하거나 불균일한 인장력을 적용하는 단계를 포함한다. 상기 인장력은 약 25 내지 200gm 범위이다.
전술한 일반적인 설명과 하기 상세한 설명은 모두 청구되는 본 발명의 부가적인 설명을 제공하기 위한 것임을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 부가적인 이해를 제공하고, 상기 명세서의 일부를 구성하며, 이에 포함되고, 본 발명의 실시예를 설명하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위해 첨부 도면이 포함된다.
도 1은 코아/클래딩 영역에서 도핑된 층을 나타내는 본 발명의 섬유를 예시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 도핑된 영역을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 인발 장력에 기인한 점도 및 CTE 불일치된 도핑제 층을 갖는 광섬유 내의 응력의 방사상 변화를 나타낸 개략도이다.
SBS를 감소시키기 위해 섬유 내에 영구적인, 불균일한 잔류 응력을 초래하는 방사상으로 불균일한 CTE 및 점도 프로파일을 갖는 광도파관 섬유가 기술된다. 인발될 때 상기 섬유에 SBS 억제 효과를 증가시키는 방법뿐만 아니라, 상기 섬유 및 섬유 예형의 제조방법도 또한 기술된다.
참고문헌은 첨부 도면에 예시되는 본 발명의 바람직한 실시예에 자세히 기재될 것이다.
간략하게, 광섬유용 연속파 (continuous wave, CW) 자극 브릴로인 산란 문턱값 파워, PTH이 하기 수학식 1로 정의된다:
여기서, Aeff는 효과적인 코아 면적이고, Leff= (1-e(-αL)/α)는 유효 길이이고, 여기서, L은 섬유 길이이고, α는 광학적 감쇠 (attenuation)이며, gb(υB) = [2πn7p2 12]/[cλ2ρovaΔυB]는 상기 브릴로인 게인 스펙트럼의 게인 계수 또는 피크 값이고, n은 굴절율이고, p12는 탄성-광학적 계수이며, c는 빛의 속도이고, ρo는 물질 밀도이며, Va는 음향 속도이고, υB는 후산란된 스토크 (Stoke) 빛의 주파수 전이 (shift)이며,ΔυB는 브릴로인 스펙트럼상의 선너비 (통상적으로 약 35MHz)이
섬유 단편 지름,장력 모드 장지름 (㎛) Aeff(㎛2)×10-12 Pth(dBm) gb(m/W)×10-11 감쇠(dB/km) 길이(km)
A 125 ㎛25 gm 8.41 55.50 8.78 3.87 0.41 5.00
B 125 ㎛90 gm 8.33 54.43 8.51 3.96 0.37 5.00
C 125 ㎛160 gm 8.13 51.93 8.65 3.64 0.36 5.00
D 125 ㎛160 gm 이하 8.13 51.94 8.99 2.86 0.39 6.30
E 125 ㎛최대 160 gm 8.37 54.98 8.41 3.42 0.37 6.30
F 140 ㎛ 7.78 47.50 9.83 3.68 0.37 3.22
G 140∼100 ㎛160 gm 8.48 56.43 10.91 3.34 0.37 3.30
H 100 ㎛160 gm 9.18 66.13 10.47 3.03 0.35 5.00
I 100∼150 ㎛160 gm 8.48 56.43 10.18 3.30 0.28 3.90
섬유 단편 지름/장력 피크 주파수 (Ghz)
A 125 ㎛ / 25 gm 12.445
B 125 ㎛ / 90 gm 12.423
C 125 ㎛ / 160 gm 12.398
상기 관찰에 비추어, 광섬유 내의 SBS를 좀 더 효과적으로 억제하는 방법 및 SBS 억제 기술에 좀 더 우호적으로 반응하는 섬유 및 이의 전구체에 대한 필요가 인식된다.
섬유 내에 결과적으로 형성된 응력은 정비례하는 왜곡이며, 여기서, 상기 비례 상수는 탄성 계수로 알려져 있다. 상기 응력은 브릴로인 주파수를 전이시키기 위해 음향 속도를 변화시키는 국소적인 물질 밀도를 변화시킨다 (Hibino 등의 Evaluation of residual stress and viscosity in SiO2/F-SiO2clad single-mode optical fibers from Brillouin gain spectra, J. Applied Physics, 66(9), pp. 4049-4052 (1989) 참조). 반복되는 기계적 특성의 층으로 구상될 때, 상기 왜곡, ΔL/L의 크기에 범위가 있다면, 주파수 전이 단독 대신 상기 브릴로인 선너비의 효과적인 확장이 있을 것이다. 상기 수학식 1에 나타난 바와 같이, 문턱값 파워는 브릴로인 스펙트라 선너비에 정비례한다. 결과적으로, 35MHz부터 70MHz까지 선너비 확장은 상기 문턱값 파워를 2배 (3dB) 증가시킬 것이다. 섬유의 광학적 운반 단면 내의 적어도 0.001, 및 바람직하게는 >0.002의 잔류 왜곡은 상기와 같은 결과를 달성할 것이다. 최대 장점에 대하여, 우리는 광학적 파워 피크의 평균-면적을 통하여 상기 왜곡이 분포되어야 함을 확신한다.
섬유 공정 동안 유리 매트릭스 내로 응력이 삽입된다. 상기 유리가 예형 상에 침적된 검댕 (soot)으로부터 고형화된 후에 열팽창 오차 (ΔCTE)가 있다. 물질의 인접 환상 영역이 다른 열팽창계수를 가진다면, 이들은 상기 유리가 냉각될 때 다른 양으로 수축한다. 부피상 압축의 차이, ΔV/V는 상기 물질의 벌크 (bulk)한 탄성 계수를 경유하여 응력을 초래한다. 바꿔 말하면, 이는 도파관의 코아 영역에 걸쳐 방사상 왜곡, ΔL/L을 초래한다. 상기 왜곡의 크기는 선형 팽창 계수 및 제조시의 유리와 응력을 제공할 수 있는 유리 사이의 온도 차 및 실온에 비례한다. 용융 실리카 도파관에 대하여, 응력은 약 1300℃에서 약 1012포이즈 (poise) 이하의 점도에서 냉각하기 시작한다. 0.2%의 예시적인 목적 왜곡에 대하여, 이는 약 5×10-7/℃의 인접 층 사이의 열팽창 계수 오차를 내포한다. 바꿔 말하면, 이는 상기 CTE 오차를 달성하기 위한 최소의 도핑제 농도를 정의한다. 예를 들면, 용융 실리카의 CTE는 5×10-7/℃이다. 약 5몰%의 GeO2또는 약 3몰%의 P2O5로 상기 실리카를 도핑하면 CTE가 10×10-7/℃로 증가한다. 불소 도핑에 대한 CTE 의존도는 농도에 대하여 비선형이나, 약 5몰%의 농도에서 약 2.5×10-7/℃의 최소 CTE에 도달한다. SBS 문턱값 파워를 의미있게 변화시키는 왜곡에 요구되는 최소 도핑제 농도 수준은 당업자에게 공지의 기타 공정 사항에 기초하여 가능한 범위 내에 있다. 표 III은 본 발명의 한 실시예에 따라, 각각 더 높은 CTE 층 및 더 낮은 CTE 층에 대한 도핑제 값 (중량% 단위) 및 도핑된 영역 층 조성을 나타낸다.
더 높은 CTE 층 더 낮은 CTE 층
A B C D E
SiO2 57∼92 58∼92 60∼92 100 98∼100
GeO2 8∼40 8∼40 8∼40 0 0
P2O5 0∼3 0 0 0 0
F2 0 0∼2 0 0 0∼2
상기 섬유가 최종 지름 이하로 인발될 때, 이는 로에 남겨지고, 큰 온도 그래디언트 (gradient) 및 빠른 냉각을 경험한다. 이러한 퀀칭 (quenching)은 상기 유리 매트릭스 내로 부가적인 응력을 동결시킨다. 상기 응력의 크기는 인발 속도 및 결과적으로는 냉각 속도에 의존한다. 부가적인 응력 성분은 통상적으로 약 25 내지 200 gm 사이에 있는 섬유 인발 장력으로부터 발생한다. 예를 들면, 만일 상기 코아 유리가 클래딩보다 더 높은 점도를 가진다면, 이는 더 단단하고, 더 빠르게 생성될 것이다. 이는 상기 클래딩 유리가 형성될 때까지 인발 장력의 로드 (load)를 탄력있게 운반한다. 일단 상기 로드가 방출될 때, 클래딩은 상기 코아를 압축 상태로 되게 할 것이다. 이는 도 3에 개략적으로 나타나 있다. SiO2코아 및 불소-도핑 SiO2클래딩을 갖는 섬유는 GeO2+SiO2코아/SiO2클래딩 섬유보다 인발 장력으로부터 더 의미있는 SBS 효과를 나타낸다. 본 발명에 따른 도핑제 조성을 변화시킨 다중 환상 층은 더 높은 점도 층이 인발 장력의 로드를 지지하게 한다. 상기 로드가 방출될 때, 상호-인접한 더 낮은 점도 층이 압축될 것이다. 결과적으로, 기계적 구조를 변화시킨 다중 층은 다양한 인발 장력 조건 하에서 감소된 SBS에 대하여 제공할 뿐만 아니라, 조절하기 더 쉬운 공정인 일정한 인발 장력 하에서도 제공한다.
도 1의 단면에 나타난 바와 같이 본 발명의 한 바람직한 실시예에서, 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광도파관 섬유 10는 통상적으로 게르마노실리케이트 (germanosilicate) 또는 게르마노-알루미나실리케이트의 코아 영역 12, 상기 코아 영역 12을 둘러싸고 있는 클래딩 영역 14, 및 다양한 CTE 및 점도 값을 각각 갖는 적어도 두 개의 직접적으로 인접한 도핑제 층 161, 162을 포함한다. 바람직하게, 도핑제 층 161은 SiO2+GeO2+P2O5, SiO2+GeO2+F2및 SiO2+GeO2로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택된 조성물에 의해 제공된, 더 높은 CTE 및 일반적으로 더 낮은 점도를 갖는 반면, 도핑제 층 162은 바람직하게, SiO2및 SiO2+F2로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택된 조성물에 의해 제공된 일반적으로 더 높은 점도 및 더 낮은 CTE를 가진다. 이러한 반복되는 도핑제 층은 영구적이고, 잔류의, 불균일한 응력을 갖는 섬유를 제공하는, 도핑된 영역 내의 섬유에 방사상으로 불균일한 점도 및 열팽창 프로파일을 부여한다. 상기 도핑된 영역은 바람직하게 광학적 파워 피크의 평균-면적 영역 내의 코아 중앙으로부터 방사상 떨어진 지점, 즉, []이 최대인 곳에 위치하며, 여기서, (E)는 전기장을 나타내고, (r)은 코아 반지름이며, (dr)은 미분 반지름이다. 이는 도 2에 예시되며, 섬유 반지름의 함수로서 점도 (및 CTE) 플랏 (plot)을 나타낸다. 참조 번호 22는 평균-면적화된 전기장, E를 나타내며, 16n은 더 높은 점도 및 더 낮은 점도 및/또는 열팽창의 영역을 나타낸다.
다양한 도핑제 조성물 층은 바람직하게 상기 도핑제 및 층 두께의 주의깊은 선택에 의해 성취된, 섬유의 도파관화 특성에 영향을 주지 않을 것이다. 상기 도핑제는 이들이 상기 유리의 열-탄성 및 점도-탄성 특성을 변화시키나, 굴절율에 대한 최소한의 영향을 갖도록 선택될 수 있다. 바람직하게는 동일하나, 반대 부호인 기본 실리카 굴절율을 변화시키는 도핑제가 선택된다. 상기 섬유 내의 층 두께는 빛의 파장 (일반적으로 1.5㎛) 이하이어야 하며, 바람직하게는 약 0.05∼0.5㎛의 범위내에 있어야 한다. 반복되는 층 161과 162사이의 경계면은 바람직하게는 0.002 이상의 잔류 왜곡, ΔL/L을 가질 것이다.
점도 및 CTE 변형 도핑제 층은 불균일한 방사상 응력 프로파일을 형성하나, 축상 굴절율에는 변화가 없다. 바람직하게, 결과적으로 형성된 응력 프로파일은 상기 섬유를 따라 매 단면 위치에서 에너지 스펙트럼을 확장시킨다. 광학적 특성이 상기 섬유의 축 방향을 따라 변화하지 않기 때문에, 특정한 길이에 SBS 억제 특성이 생길 것이다. 결과적으로, 예를 들면, 섬유 조작의 확인, 즉, 전송 링크 (transmission link) 내의 타입과 주문이 감소될 것이다. 상기 섬유의 길이를 따라 변화가능한 인발 장력은 또한 상기 SBS 억제 특성을 강화시키는 작용을 할 것이다.
바람직하게 하부공정 동안 상기 유리의 소결에 제공하는 공지의 플라스마 (MCVD) 또는 내부 화학적 증착법을 이용하여, 예형을 제조하는 동안에 상기 유리 검댕이 순차적으로 고형화될 수 있다. 이는 도핑제 상호-확산을 감소시키며, 상기 도핑제 층이 다른 인접 성분과 기계적으로 구분되도록 한다. 선택적으로, 섬유 인발 전에 유리 예형 내에 생성된 상기 층은 두껍게 제조될 수 있다. 상기 층의 두께는 비록 각각의 층 내의 부분적인 굴절율이 다를 수 있을 지라도, 상기 평균 방사상 굴절율 프로파일이 특정한 광학적 고안을 만족시키도록 제조될 수 있다. 섬유 내의 더 얇은 층은 또한 장력 변화에 의해 형성되는 잔류 왜곡을 증가시킨다. Wada 등의 Suppression of stimulated Brillouin scattering by intentionally induced periodical residual-strain in single-mode optical fibers, Proceedings of European Conference on Optical Comm., 1991, paper MoB1의 수학식 1은 인발 장력 변화값, δF에 대한 상기 층 단면 의존도를 결정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 상기 논문은 전체로서 상기 코아 및 클래딩 단면적을 고려한 것이다. 본 발명에서는 상기 단면적은 개개의 환상 영역에 대한 것으로 일반화될 수 있다. 층 단면적, A가 동일하고, 영의 계수, E가 동일하다고 가정하면, 왜곡, δe에 대한 수학식은 다음과 같다.
여기서, η2,1은 두 인접 층의 점도이다. 단면적, A가 작을수록, 주어진 장력 변화값, δF에 대한 왜곡 변화값, δe는 더 크다. 이러한 관계식은 동일하지 않은 단면적 및 영의 계수에 대하여 계속적으로 유지된다.
섬유 인발 공정 동안, 섬유 변형은 뽑는 방향을 따라 세로 왜곡 및 해당하는 응력을 형성시킨다. 응력대 왜곡 비는 탄성 계수로서 나타내어진다. 만일 단면적, 인발 장력, 점도 및 유리 물질 계수가 균일하다면, 결과적으로 형성된 응력은 균일할 것이다. 그러나, 도 3에 나타난 바와 같이 본 발명의 한 실시예에서, 상기 도핑제 층에 의해 제공된 고리 사이의 불균일한 유리 계수, 단면적 및/또는 점도에 기인한 도핑된 영역에 잔류하는, 영구적인 연장 또는 압축력이 형성된다. 상기 점도 불일치된 섬유에서, 음자 에너지 스펙트럼이 확장되며, 상기 SBS 문턱값 파워가 증가한다. SBS 억제에 대한 상기 방사상으로 불균일한 점도 프로파일의 효과는 조성 섬유 구조 내의 도핑된 영역의 위치에 의해 증가된다. 또한, 굴절율 동요에 가장 민감한 방사상 위치는 점도-유도된 잔류 응력의 위치에 가장 바람직하다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 예형으로부터 인발된 광섬유의 굴절율 프로파일은 상기 전구체의 굴절율 프로파일과 유사하다.
또다른 실시예에서, 본 발명은 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광섬유 도파관을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 방사상으로 불균일한 열팽창 및 점도 프로파일을 갖는 코아 영역을 포함하는 클래드된 섬유가 인발될 수 있는 섬유 예형을 제공하는 단계 및 섬유 인발로 내에서 상기 예형을 가열시키는 단계 및 인발될 때 섬유에 장력을 적용시키는 동안 이로부터 섬유를 인발시키는 단계를 포함한다. 예형을 제조하고 광섬유를 인발하는 기술은 당업자에게는 공지된 것이며, 부가적인 설명은 필요하지 않다. 균일한 및 불균일한 장력 모두의 효과는 변화된 인발 장력 및 클래딩 지름에 대하여 동일한 블랭크로부터 인발된 섬유에 대한 게인 계수를 나타내고 있는 표 I에서 알 수 있다. 25 gm, 90 gm 및 160 gm의 균일한 인발 장력 및 25 gm 내지 160 gm의 변화가능한 장력이 기록된다. 표 II는 25 gm(A), 90 gm(B) 및 160 gm(C) 장력 분산 전이된 (DS) 섬유에 대한 중앙 주파수를 나타낸다. 25 gm와 160 gm의 피크 주파수 차는 47MHz이다. 균일한 인발 장력 섬유에 대한 35MHz의 브릴로인 선너비를 이용하여, 47MHz까지 선너비의 증가는 균일한 장력 섬유 (예를 들면 표 I의 B)과 25∼160gm 장력 섬유 (예를 들면, 표 I의 D) 사이의 게인 계수의 26% 차이에 해당한다.

Claims (20)

  1. 축방향으로 실질적으로 균일한 열팽창계수(CTE) 및 점도를 갖는 적어도 하나의 제1 환상 구성 층 및 축방향으로 실질적으로 균일한 상기 제1 층과 다른 CTE 및 다른 점도를 갖는 상기 제1 층에 직접적으로 인접한 적어도 하나의 제2 환상 구성 층으로 필수적으로 이루어진 도핑된 영역을 포함하는 코아 영역, 및
    상기 코아 영역의 최외곽 부분을 둘러싸고 있는 클래딩 영역을 포함하여, 섬유가 영구적인 방사상으로 불균일한 CTE 및 점도 프로파일을 나타내는 것을 특징으로 하는 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광도파관 섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 층은 상기 도핑된 영역 내에서 제1 및 제2 층이 반복되는 연속적인 복수의 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도핑된 영역은 하기 식에 비례하는 광학적 파워 피크의 평균-면적이 최대 값을 갖는 상기 코아의 중심에서 방사상 지점에 실질적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 섬유.
    여기서 (E)는 전기장 값을 나타내고, (r)은 코아 반지름이며, (dr)은 미분 반지름이다.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 층은
    SiO2+GeO2+P2O5;
    SiO2+GeO2+F2; 및
    SiO+GeO2로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 제2 층은
    SiO2; 및
    SiO2+F2로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 섬유.
  5. 제4항에 있어서, 상기 SiO2+GeO2+P2O5로 필수적으로 이루어진 조성물은 중량%로 57∼92 SiO2, 8∼40 GeO2및 0∼3 P2O5로 필수적으로 이루어지고, 상기 SiO2+GeO2+F2로 필수적으로 이루어진 조성물은 중량%로 58∼92 SiO2, 8∼40 GeO2및 0∼2 F2로 필수적으로 이루어지며, 상기 SiO2+GeO2로 필수적으로 이루어진 조성물은 중량%로 60∼92 SiO2및 8∼40 GeO2로 필수적으로 이루어지고, 상기 SiO2+F2로 필수적으로 이루어진 조성물은 중량%로 98∼100 SiO2및 0∼2 F2로 필수적으로 이루어진 것을 특징으로 하는 섬유.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 층은 상기 제2 층보다 더 높은 CTE 및 더 낮은 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 섬유.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 층은 각각 0.05∼0.5㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 섬유.
  8. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 상기 제1 및 제2 층의 경계면에서 적어도 0.001의 잔류 왜곡, ΔL/L을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유.
  9. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 상기 제1 및 제2 층의 경계면에서 0.002보다 크고, 상기 섬유의 기계적 오류를 초과하는 값보다 더 작은 잔류 왜곡, ΔL/L을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유.
  10. 축방향으로 실질적으로 균일한 CTE 및 점도를 갖는 적어도 하나의 제1 환상 구성 층 및 축방향으로 실질적으로 균일한 상기 제1 층과 다른 CTE 및 점도를 갖는 상기 제1 층에 직접적으로 인접한 적어도 하나의 제2 환상 구성 층을 포함하는 코아 영역, 및
    상기 코아 영역의 최외곽 부분을 둘러싸고 있는 클래딩 영역을 포함하여, 예형이 방사상으로 불균일한 CTE 및 점도 프로파일을 나타내는 것을 특징으로 하는 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광도파관 섬유가 인발될 수 있는 광도파관 섬유 예형.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 층은 상기 도핑된 영역 내에서 반복되는 층의 연속적인 복수의 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 예형.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 층은
    SiO2+GeO2+P2O5;
    SiO2+GeO2+F2; 및
    SiO2+GeO2로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    상기 제2 층은
    SiO2; 및
    SiO2+F2로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 예형.
  13. 제12항에 있어서, 상기 SiO2+GeO2+P2O5로 필수적으로 이루어진 조성물은 중량%로 57∼92 SiO2, 8∼40 GeO2및 0∼3 P2O5로 필수적으로 이루어지고, 상기 SiO2+GeO2+F2로 필수적으로 이루어진 조성물은 중량%로 58∼92 SiO2, 8∼40 GeO2및 0∼2 F2로 필수적으로 이루어지며, 상기 SiO2+GeO2로 필수적으로 이루어진 조성물은 중량%로 60∼92 SiO2및 8∼40 GeO2로 필수적으로 이루어지고, 상기 SiO2+F2로 필수적으로 이루어진 조성물은 중량%로 98∼100 SiO2및 0∼2 F2로 필수적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 예형.
  14. 방사상으로 불균일한 열팽창 프로파일 및 점도 프로파일과 축방향으로 실질적으로 균일한 굴절율 프로파일을 모두 갖는 코아 영역을 포함하는 섬유 예형을 제공하는 단계;
    상기 예형의 말단을 섬유로 인발시키기에 충분한 온도로 가열시키는 단계; 및
    섬유를 인발시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광도파관 섬유의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 방법은 섬유가 인발될 때 섬유에 장력을 적용시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 섬유에 장력을 적용시키는 단계는 균일한 장력 및 불균일한 장력 중 하나를 적용시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 장력은 25 gm 내지 200 gm 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 코아의 중앙과 최외곽 영역 중간의 코아의 일부분에 방사상으로 불균일한 CTE 프로파일 및 점도 프로파일을 모두 가진 코아; 및
    상기 코아의 최외곽 영역을 둘러싸고 있는 클래딩을 포함하는 것을 특징으로 하는 상승된 파워 조절 능력을 갖는 광도파관 섬유.
  19. 제18항에 있어서, 상기 코아의 방사상으로 불균일한 부분은 하기 식에 비례하는 광학적 파워 피크의 평균-면적이 최대 값을 갖는 코아의 중앙으로부터 방사상지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 섬유.
    여기서 (E)는 전기장 값을 나타내고, (r)은 코아 반지름이며, (dr)은 미분 반지름이다.
  20. 제18항에 있어서, 상기 코아의 방사상으로 불균일한 부분은
    SiO2+GeO2+P2O5;
    SiO2+GeO2+F2; 및
    SiO2+GeO2로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택된 조성을 갖는 적어도 하나의 환상 층, 및
    SiO2; 및
    SiO2+F2로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택된 조성을 갖는 적어도 하나의 직접적으로 인접한 환상 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유.
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