KR20030007084A - 광섬유 및 이 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템 - Google Patents

광섬유 및 이 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템 Download PDF

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KR20030007084A
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후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

라만 증폭을 사용한 광 신호 전송 시스템에서 양호한 신호 대 잡음비(SNR) 및 높은 라만 효율을 갖는 광섬유가 개시된다. 광섬유는 굴절률 프로필을 가지며, 코어 수단과 클래딩 층 간에 적어도 하나의 환형 영역을 포함하고, 1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수, 0.9% 이하의 양의 값의 클래딩 층에 대해 중심 코어의 상대 굴절률 차, -0.7% 내지 -0.2% 범위의 클래딩 층에 대해 중심 코어에 인접하는 환형 영역의 상대 굴절률 차, 및 60㎛4이하의 유효 영역(Aeff)을 갖는다. 광 신호 전송 시스템은 라만 증폭기에서 또는 광 신호 증폭 섬유로서 광 신호 전송 라인의 일부에 대해 광섬유를 이용하고, 증폭 효과를 얻기 위해 파장 분할 자극 광을 광섬유에 도입한다.

Description

광섬유 및 이 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템{OPTICAL FIBER AND OPTICAL SIGNAL TRANSMISSION SYSTEM USING THIS OPTICAL FIBER}
본 발명은 광섬유에 관한 것으로, 더 상세하게는 파장 분할 다중(WDM) 전송에 안정적으로 사용되는 광섬유, 및 이 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템(광 신호 전송 라인)에 관한 것이다.
WDM 전송을 사용하여 광 신호 전송 시스템에서의 전송 능력의 증가가 활발히 연구되고 있다. 특히, 근래에, 라만(Raman) 증폭을 이용한 WMD 전송 시스템이 또한 연구되고 있다.
라만 증폭이 여기서 설명될 것이다. 일반적으로, 광이 글래스(glass) 또는 다른 물질에 부딪히면, 해당 물질의 분자 진동 또는 격자 진동으로 인해 본래의 파장보다 다소 긴 파장의 광이 발생되게 된다. 이 광은 라만 산란 광이라고 한다.
더욱이, 도입된 자극 광이 보다 세어지게 되면, 위상-정렬 라만 산란 광이 만들어질 수 있다. 이것은 "도입(induced) 라만 산란 광"이라고 한다. 도입된 신호 광 및 도입된 라만 산란 광의 파장이 일치하면, 도입된 라만 산란 광은, 신호 광이 증폭되는 동일한 정도로 변화된다. 이와 같이, "라만 증폭"은, 재료, 즉 실리카-기초 글래스(silica-based glass)(도입된 라만 산란 광)을 구성하는 원자에 의해 산란된 광이 입사 시에 이와는 다른 파장으로 변환되고, 센 자극 광이 광섬유에 도입될 때 산란된다는 사실을 이용하여, 광 신호의 증폭을 위한 기술이다.
라만 증폭기는 이와 같이 광섬유에서 발생하는 비선형 광 현상으로 인해 발생하는 증폭 작용을 이용한다.
라만 증폭에서, 약 100nm의 자극 광 원 파장에서 보다 긴 파장까지 떨어져 있는 파장에서 라만 이득의 최대 값이 얻어지는 현상이 공지되어 있다. 이와 같은현상을 이용하여, 서로 다른 파장의 복수의 자극 광원(이하 "파장 분할 자극 광원"이라고 함)을 이용하여 WDM 광 신호를 증폭하려 시도되고 있다. 여기서, 파장 분할 자극 광원의 파장 대역은, 파장 분할 자극 광원의 최장 파장에서의 자극 광이 WDM 신호의 최단 파장에서의 신호 광을 중첩하지 않도록 최대 약 100nm이어야 한다.
이와 같은 라만 증폭을 이용하여 광 전송을 실현하기 위해서는, 전송 중계점 및 수신국에서 신호 광에서 파장 왜곡을 회복할 필요가 있다. 따라서, 광 전송 라인에서의 비선형 현상을 억제하고 광 전송 라인에서의 누적 색체 산란을 줄이는 것이 효과적이다.
라만 증폭을 이용한 광 전송 시스템에서, 라만 증폭을 위한 광 전송의 일부에 대해, 1.3㎛ 근처의 제로 산란을 갖는 단일 모드 광섬유(SMF) 또는 코어의 굴절률을 증가시키기 위해 도펀트가 증가하는 광섬유의 사용하여 라만 효율을 증가시키는 것이 연구되고 있다.
SMF가 약 80㎛2의 비교적 큰 유효 면적(Aeff)을 갖기 때문에, SMF는 라만 증폭을 위한 효율이 낮다. SMF를 사용할 때, 파장 분할 자극 광원에 대해 전체적으로 적어도 1W의 광 전력이 요구된다. 이는 경제적이지 못하다.
더욱이, 코어의 굴절률을 증가시키기 위해 도펀트에서 증가하는 광섬유는 선천적으로 큰 레일레이 산란을 갖는다. 레일레이 산란 계수는 레일레이 산란의 크기를 표현하는 표시기로서 공지되어 있다. 레일레이 산란 계수의 값은 위에서 SMF에서 약 0.9㎛4·dB/km인 한편, 코어의 굴절률을 증가시키기 위해 도펀트가 증가하는 광섬유에서는 항상 거의 1.1㎛4·dB/km이상이다.
만일 이와 같은 큰 레일레이 산란 계수를 갖는 광섬유가 라만 증폭에 사용되면, 광 전송 라인의 근처에서 산란된 노이즈 성분은 다음 광 전송 라인의 전면에서 산란하고, 신호에서 억제, 즉 이중 레일레이 산란이 발생하기 쉽고, 신호 대 잡음 비(SNR)가 떨어지는 경향이 있다.
더욱이, 코어의 굴절률을 증가시키기 위해 도펀트가 증가하는 광섬유는 신호 광 대역 또는 자극 광 대역에서 제로 산란 파장을 가지기 때문에, 4 파 합성(four wave mixing, FWM) 등의 단점에 수용할 수 없다.
SNR의 열화 또는 FWM의 발생은 WDM 전송 시에 비트 에러율(BER)의 열화를 유발하는 인수가 되고, 따라서 큰 레일레이 산란 계수를 갖는 광섬유 또는 BER이 낮게 유지되어야 하는 덴스(dense) WDM(DWDM) 전송 시스템에서 라만 증폭을 위해 코어의 굴절률을 증가시키기 위해 도펀트를 증가시키는 광섬유의 사용은 수용할 수 없다.
즉, 상기 두 가지 종류의 광섬유는 단점을 가지며, 따라서 라만 증폭을 위한 광섬유로서 적합하지 않다.
본 발명의 목적은, 작은 레일레이 산란 계수 및 높은 라만 효율을 갖는 광섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 신호 광 파장 대역 및 자극 광 파장 대역에서 제로 산란 파장을 갖는 광섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 이와 같은 광섬유를 사용하여 라만 증폭을 수행하는 광 신호 전송 시스템(광 신호 전송 라인)을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 특징에 따르면, 굴절률 프로필(profile)을 가지며, 중심 코어(center core)와 클래딩 층(cladding layer) 간에 적어도 하나의 환형 영역(annular region)을 구비하는 광섬유는, 1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수(Rayleigh scattering coefficient), 0.9% 이하의 양의 값의 클래딩 층에 대해 중심 코어의 제1 상대 굴절률 차 △1, -0.7% 내지 -0.2% 범위의 클래딩 층에 대해 중심 코어에 인접하는 환형 영역의 제2 상대 굴절률 차 △2, 및 60㎛4이하의 유효 영역(Aeff)을 갖는다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 광 신호 전송 시스템은 광 신호를 전송하기 위한 광 신호 전송 장치, 광 신호 전송 장치로부터 송신된 광 신호를 증폭하기 위한 라만(Raman) 증폭 수단, 라만 증폭 수단으로부터 송신된 광 신호를 수신하기 위한 광 신호 수신 장치 - 라만 증폭 수단은, 적어도 일부에 굴절률 프로필을 가지며, 코어 수단과 클래딩 층 간에 적어도 하나의 환형 영역을 포함하고, 1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수, 0.9% 이하의 양의 값의 클래딩 층에 대해 중심 코어의 제1 상대 굴절률 차 △1, -0.7% 내지 -0.2% 범위의 클래딩 층에 대해 중심 코어에 인접하는 환형 영역의 제2 상대 굴절률 차 △2, 및 60㎛4이하의 유효 영역(Aeff)을 가지며, 광 신호 송신 장치로부터 방출된 신호 광을 수신하는 광섬유를 포함함-, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 자극 광(stimulated light)을 제공하기 위한 파장 분할 자극 광원, 및 광 신호 전송 라인으로부터 전송된 광 신호, 및 파장 분할 자극 광원으로부터 전송된 광 신호를 결합하기 위한 광 결합 수단을 구비하되, 파장 분할 자극 광원으로부터 광 신호 전송 라인에서 파장 분할 자극 광원에서 광섬유로 파이어링(firing)하므로써 라만 증폭을 수행하는 광 신호 전송 시스템.
본 발명의 특징 및 장점은, 첨부하는 도면을 참조하여 제시된 바람직한 실시예의 다음 설명으로부터 명확할 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 광섬유의 제1 실시예의 단면도,
도 1b는 도 1a에 도시된 광섬유의 굴절률 프로필을 도시하는 도면,
도 2a는 본 발명에 따른 광섬유의 제2 실시예의 단면도,
도 2b는 도 2a에 도시된 광섬유의 굴절률 프로필을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템의 제1 실시예의 구성도, 및
도 4는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템의 제2 실시예의 구성도.
본 발명을 실시예를 설명하기 전에, 본 발명의 전체적인 주제가 설명될 것이다. 레일레이 산란 계수는 굴절률 프로필, 글래스 성분, 및 제조 조건과 같은 다양한 인수에 의해 영향을 받는 파라메타이다. 예를 들어, 굴절률 프로필의 형태를 고려된다면 정의될 수 없다. 시스템용 라만 증폭 시스템에 사용되는 광섬유의 적합성을 조정하기 위해 레일레이 산란 계수를 고려하려 시도할 때 광섬유의 레일레이 산란 계수를 직접 측정하는 것이 양호한 관점으로부터, 본 발명은 라만 증폭 시스템에 사용되는 광섬유의 레일레이 산란 계수를 고려하였고, 표 1 및 표 2에 도시된 것과 동일한 적합한 값을 발견하고 정의하였다.
더욱이, 광섬유의 요구되는 특징은, 전송 라인의 구성에 의존한다. 따라서, 굴절률 프로필의 형태는 광섬유의 요구되는 전송 특성을 충족시키도록 선택된다.본 발명에 따른 실시예로서 이하에 설명되어 있는, 도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유 및 도 2A 및 도 2B에 도시된 광섬유는 서로 다른 필요한 특성을 충족시킨다. 효과 및 작용에서의 차이점으로 인해, 광섬유의 요구되는 특성이 차이가 나게 된다. 이들을 실현하기 위해, 이하에 설명된 도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B에 도시된 구성의 광섬유를 적합하게 선택하는 것이 가능하다.
광섬유 및 이 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템의 실시예가 첨부하는 도면을 참조로 설명될 것이다.
광섬유의 제1 실시예
도 1A는 본 발명에 따른 광섬유의 제1 실시예의 단면도이고, 도 1B는 도 1A에 도시된 광섬유의 굴절률 프로필을 도시하는 도면이다.
도 1A 및 도 1B에 도시된 제1 실시예의 광섬유(1)는 중심 코어(11), 중심 코어(11)의 주변에 인접하여 형성된 환형 영역(12), 및 환형 영역(12)의 주변에 형성된 클래딩 층(13)을 구비한다.
중심 영역(11)의 굴절률은 이하 n11로서 지칭되고, 환형 영역(12)의 굴절률은 n12로서 지칭되고, 클래딩 층의 굴절률은 n13으로서 지칭된다.
클래딩층(13)과 중심 코어11) 간의 상대 굴절률 차이는 △1로서 지칭되는 한편, 클래딩 층(13)과 환형 영역(12) 간의 상대 굴절률 차이는 △2로서 지칭된다. 상대 굴절률 차이 △1과 △2는 다음 식에 의해 정의된다:
△1 = (n112-n132)/(2n112) x 100 = (n11 -n13)/(n11) x 100 (%) --- (1)
△2 = (n122-n132)/(2n122) x 100 = (n12 -n13)/(n12) x 100 (%) --- (2)
환형 영역(12)의 굴절률 n12는 클래딩 층(13)의 굴절률 n13보다 크다. 중심 코어(11)의 굴절률 n11은 클래딩 층(13)의 굴절률 n13보다 크다. 따라서, 도 1B에 도시된 예에서, △1>0, △2>0이다.
광섬유의 특징
도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유는 1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수, 0.9% 이하의 양의 값의 제1 상대 굴절률 차 △1, -0.7% 내지 -0.2%의 제2 상대 굴절률 차 △2, 및 60㎛4이하의 유효 영역(Aeff)을 갖도록 형성된다.
레일레이 산란 계수가 1 ㎛4·dB/km이하로 되는 이유는, 레일레이 산란 계수가 이 값보다 클 때, 이중 레일레이 산란으로 인한 SNR의 열화가 무시되기 때문이다.
제1 상대 굴절률 차 △가 0.9% 이하의 양의 값으로 되는 이유는, 제1 상대 굴절률 차 △1가 0.9% 이하일 때, 레일레이 산란 계수가 1 ㎛4·dB/km이상으로 되고 SNR의 열화가 무시될 수 있기 때문이다.
제2 상태 굴절률 차 △2가 -0.7% 내지 -0.2%로 되는 이유는, 만일 제2 상대 굴절류 차 △2가 이 범위를 벗어나면, 제1 상대 굴절류 차 △1가 0.9% 이하의 양의 값으로 되더라도, 광섬유가 WDM 전송에 극히 영향을 많이 받기 때문이다.
유효 영역(Aeff)이 60㎛4이하로 되는 이유는, 유효 영역(Aeff)이 60㎛4이상일 때 라만 증폭의 효율이 저하되기 때문이다.
도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유에서, 제로 산란 파장은 바람직하게 1400nm 내지 1600nm 범위를 벗어난다.
제로 산란 파장이 1400nm 내지 1600nm의 범위 바깥으로 되는 이유는, 라만 증폭을 사용하여 1500 내지 1600nm 파장 주변의 WDM 전송을 수행할 때 만일 제로 산란 파장이 1400 nm 내지 1600nm 범위 이내이면, FWM이 자극 광 또는 신호 광의 파장 대역에서 발생할 가능성이 있기 때문이다.
광섬유의 특성으로서, 레일레이 산란 계수, 제1 상대 굴절률 차이 △1 및 제2 상대 굴절률 차이 △2의 상한만이 정의되었지만, 레일레이 산란 계수 또는 제1 상대 굴절률 차 △1가 증가하면, 다른 것도 또한 증가한다는 것을 알아야 한다. 더욱이, 만일 레일레이 산란 계수 또는 유효 영역(Aeff)이 증가하면, 다른 것은 감소한다. 따라서, 레일레이 산란 계수, 제1 상대 굴절률 차이 △1, 및 유효 영역(Aeff)을 정의하므로서, 또한 하한이 실질적으로 정의된다.
도 2A는 본 발명에 따른 광섬유의 제2 실시예의 단면도이고, 도 2B는 도 2A에 도시된 광섬유의 굴절률 프로필을 도시하는 도면이다.
도 2A 및 도 2B에 도시된 본 발명의 제2 실시예의 광섬유 2는, 중심 코어(21)의 주변에 형성된 제1 환형 영역(22), 제1 환형 영역(22)의 주변에 형성된 제2 환경 영역(23), 및 제2 환형 영역(23)의 주변에 형성된 클래딩 층(24)을 구비한다.
도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유(1)와 비교할 때, 도 2A 및 도 2B에 도시된 광섬유(2)는 부수적인 제2 환형 영역(23)을 갖는다.
중심 코어(21)의 굴절률은 n21로 지칭되고, 제1 환형 영역(22)의 굴절률은 n22로 지칭되고, 제2 환형 영역(23)의 굴절률은 n23으로 지칭되고, 클래딩 층(24)의 굴절률은 n24로 지칭된다.
클래딩 층(24)과 중심 코어(21) 간의 제1 굴절률 차이는 △1a로 지칭되고, 클래딩 층(24)과 제1 환형 영역(22) 간의 제2 굴절률 차이는 △2a로 지칭되고, 클래딩 층(24)과 제2 환형 영역(23) 간의 제3 굴절률 차이는 △3a로 지칭된다.
상대 굴절률 차이 △1a, △2a 및 △3a는 다음 식에 의해 정의된다:
△1a = (n212-n242)/(2n212) x 100 = (n21 -n24)/(n21) x 100 (%) --- (3)
△2a = (n222-n242)/(2n222) x 100 = (n22 -n24)/(n22) x 100 (%) --- (4)
△3a = (n232-n242)/(2n232) x 100 = (n23 -n24)/(n23) x 100 (%) --- (5)
제1 환형 영역(22)의 굴절률 n22는 클래딩 층(24)의 굴절률 n24보다 크다. 중심 코어(21)의 굴절률 n21은 클래딩 층(24)의 굴절률 n24보다 크다. 제2 환형 영역(23)의 굴절률 n23은 클래딩 층(24)의 굴절률 n24보다 크고, 중심 코어(21)의 굴절률 n21보다 작다. 따라서, 도 2B에 도시된 예에서, △1a>0, △22>0 및 △3a>0이다.
광섬유의 특징
도 2A 및 도 2B에 도시된 광섬유는 도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유와 같이, 1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수, 0.9% 이하의 양의 값의 제1 상대 굴절률 차 △1a, -0.7% 내지 -0.2%의 제2 상대 굴절률 차 △2a, 및 60㎛4이하의 유효 영역(Aeff)을 갖도록 형성된다.
레일레이 산란 계수가 1 ㎛4·dB/km이하로 되는 이유, 제1 상대 굴절률 차 △가 0.9% 이하의 양의 값으로 되는 이유, 제2 상대 굴절률 차 △2b가 0-0.7 내지 -0.2%인 이유, 및 유효 영역(Aeff)d가 60㎛4이상인 이유는, 도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유에 대해 설명된 이유와 동일하다.
도 2A 및 도 2B에 도시된 광섬유에서, 제로 산란 파장은 바람직하게 1400nm 내지 1600nm 범위를 벗어난다.
제로 산란 파장이 1400nm 내지 1600nm의 범위 바깥으로 되는 이유는, 도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유에 대해 설명된 것과 동일하다.
도 2A 및 도 2A에 도시된 광섬유의 경우, 레일레이 산란 계수, 제1 상대 굴절률 차 △1a 및 유효 영역 (Aeff)의 상한만이 정의되었지만, 레일레이 산란 계수 또는 제1 상대 굴절류 차이 △1a가 증가하면, 다른 것도 또한 증가한다는 것을 알아야 한다. 더욱이, 만일 레일레이 산란 계수 또는 유효 영역(Aeff)이 증가하면, 다른 것은 감소한다. 따라서, 레일레이 산란 계수, 제1 상대 굴절률 차이 △1a, 및 유효 영역(Aeff)을 정의하므로서, 하한이 또한 실질적으로 정의된다.
위에서 설명한 바와 같이, 광섬유의 요구 특성은 광 신호 전송 라인의 구성에 의존한다. 다라서, 굴절률 프로필은 각각의 광섬유에 대한 필요 전송 특성을 충족하도록 선택된다. 도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유 및 도 2A 및 도 2B에 도시된 광섬유는 각각 요구된 특성을 만족시킨다. 효과 및 행위의 차이로 인해 광섬유의 요구 특성이 차이가 나게 된다. 이를 실현하기 위해, 도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B에 도시된 구성의 광섬유를 적절히 선택하는 것이 가능하다.
일반적으로 말해서, 도 2A 및 도 2B에 도시된 광섬유에서, 제2 환형 영역을 제공하므로써, 산란 특성이 작은 측면으로 쉬프트하고, 굴곡 손실 특성이 보다 양호해지는 장점이 있지만, MFD는 보다 커지며, 차단 파장 Ac는 보다 길어지고, 제조 수율은 보다 떨어지며, 가격이 비싸진다는 단점이 있다. 따라서, 도 1A 및 도 1B의 광섬유 또는 도 2A 및 도 2B의 광섬유가 필요한지를 선택하는 것이 가능하다.
광섬유의 다른 실시예
본 발명에 따른 광섬유는 도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B에 도시된 광섬유에 제한되어 있지 않다. 중심 코어(11 또는 21) 및 클래딩 층(13 또는 24) 간에 적어도 하나의 환형 영역, 1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수, 0.9% 이하의 양의 값의 제1 상대 굴절률 차 △1 또는 △1a, -0.7% 내지 -0.2%의 제2 상대 굴절률 차 △2 또는 △2a, 및 60㎛4이하의 유효 영역(Aeff)을 포함하는 굴절률을 갖는 어떠한 광섬유는 본 발명에 따른 광섬유의 범위에 포함되어 있다.
더욱이, 이와 같은 광섬유는 바람직하게 1400nm 내지 1600 nm를 벗어난 제로산란 파장을 갖는다.
광 신호 전송 시스템의 제1 실시예
도 3은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템의 실시예를 도시한다.
도 3에서, 제1 실시예의 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템(3)은, 광 신호 전송 장치(31), 광 신호 수신 장치(32), 파장 멀티플렉스 자극 광 원(33), 광 커플링 수단(34), 제1 광 신호 전송 라인(35), 및 제2 광 신호 전송 라인(36)을 구비한다.
제1 광 신호 전송 라인(35)의 적어도 일부분에 대해, 도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B를 참조하여 설명한 광섬유가 사용된다.
또한, 제2 광 신호 전송 라인(36)의 적어도 일부분에 대해 본 발명에 따른 실시예의 광섬유를 사용하는 것이 가능하다.
광 신호 전송 장치(31)는 전송된 신호에 대응하여 광 신호를 전송하기 위한 발광 소자, 예를 들어, 반도체 레이저, 및 전송 신호 처리 회로를 포함한다. 전송 신호 처리 회로는 전송된 신호에 따라 반도체 레이저를 자극하고, 반도체 레이저에서 제2 광 신호 전송 라인(36)으로 신호 광을 방출한다.
광 신호 수신 장치(32)는 광 수신 소자, 예를 들어, 포토다이오드, 및 광 신호 처리 회로를 포함한다. 광 신호 수신 장치는 포토다이오드에 의해 라만 증폭기(37)로부터 전송된 광 신호를 수신하고, 이를 전기 신호로 변환하고, 전기 신호로 변환된 신호에 대해 소정의 신호 처리를 수행하는 신호 처리 회로를 갖는다.
파장 분할 자극 광원(33), 광 커플링 수단(34), 및 광 신호 전송 라인(35)은 라만 증폭기(도면에서 점선에 의해 둘러싸인 영역)를 형성한다. 파장 분할 자극 광원(33)은 파장이 서로 다른 복수의 자극 광원으로 구성되고, 서로 다른 파장의 복수의 자극 광원을 제공한다.
광 커플링 수단(34)은 예를 들어 이색 미러(dichroic mirror), WDM 커플러 또는 다른 WDM 필터 등을 구비하며, 파장 분할 자극 광원(33)에서 광 신호 전송 라인(35)으로 파장이 서로 다른 복수의 자극 광을 전송하는 기능을 갖는다. 이로 인해, 그 적어도 일부분에서 도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B를 참조하여 설명한 광섬유를 갖는 광 신호 전송 라인(35) 내부에서 라만 증폭이 수행된다.
도 3의 광 신호 전송 라인(35)은 라만 증폭에 직접 관련되어 있다. 광 신호 전송 라인에 사용되는 광섬유는, 작은 레일레이 산란 계수 및 높은 라만 효율을 가질 필요가 있다. 더욱이, FWM의 발생을 억제하는 관점에서 볼 때, 광 신호 전송 라인(35)에 사용되는 광섬유는 신호 광 파장 대역 또는 자극 광 파장 대역에 제조 산란 파장이 놓여있지 않을 필요가 있다. 예를 들어, 도 1A 및 도 1B에 도시된 광섬유가 제1 광 신호 전송 라인(35)의 일부에 사용될 때, 레일레이 산란 계수가 1 ㎛4·dB/km이기 때문에, 제1 상대 굴절률 차 △1는 0.9% 이하의 양의 값이고, 제2 상대 굴절률 차이 △2는 -07% 내지 -0.2% 이하이며, 유효 영역(Aeff)은 60㎛4이하이고, 라만 계수는 높다. 더욱이, 제로 산란 파장이 1400nm 내지 1600nm 범위 이외이기 때문에, FWM의 발생이 억제된다. 종래의 광섬유를 갖는 이들 모든 조건을 충족시키는 것은 힘들지만, 도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B에 도시된 본 발명에 따른 실시예의 광섬유는 상기 특성을 가지며 이들 조건을 만족시킬 수 있다.
제1 광 신호 전송 라인(35) 및 제2 광 신호 전송 라인(36)의 구별은 라만 증폭이 수행되고 이것이 존재하지 않는 부분의 구별에 대해 편리하다는 것을 알아야 한다. 본 발명은 제1 광 신호 전송 라인(35) 및 제2 광 신호 전송 라인(36)이 한 종류의 광섬유에 의해 구성되어 있는 실시예를 포함한다.
더욱이, 전체적으로 광 신호 전송 라인, 즉 제1 광 신호 전송 라인(35) 및 제2 광 신호 전송 라인(36)에서 라만 증폭이 실질적으로 수행될 때, 광 신호 전송 라인(36)을 존재하지 않는 것으로 다룰 수 있다.
광 신호 전송 시스템의 제2 실시예
도 4는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 광 신호 전송 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 4에서, 제2 실시예의 광섬유를 사용한 광 신호 전송 시스템(4)은, 광 신호 전송 장치(41), 광 신호 수신 장치(42), 파장 분할 자극 광원(43), 광 커플링 수단(44), 광 신호 증폭 섬유(45), 및 광섬유(46)를 구비한다.
도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B를 참조하여 설명된 광섬유는 광 신호 증폭 섬유(45)의 적어도 일부분에 사용된다.
도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B를 참조하여 설명된 광섬유는 광섬유(46)의 적어도 일부분에 사용된다.
파장 분할 자극 광원(43), 광 커플링 수단(44), 및 광 신호 증폭 섬유(45)는 라만 증폭기(47)(도면에서 점선으로 둘러싸인 영역)를 형성한다. 이와 같은 종류의 라만 증폭기(47)는 개별적인 라만 증폭기라 불린다.
파장 분할 자극 광원(43) 및 광 커플링 수단(44)은, 도 3을 참조하여 설명한 파장 분할 자극 광원(33) 및 광 커플링 수단(34)과 유사하다.
도 4의 광섬유를 사용한 광 신호 전송 시스템의 구성으로, 광 증폭 섬유(45) 내에서 라만 증폭이 수행된다.
광 신호 전송 라인(45)은 라만 증폭기에 직접 관련되어 있다. 광 신호 증폭 섬유(45)에 사용되는 광섬유는 작은 레일레이 산란 계수와 높은 라만 계수를 가질 필요가 있다. 더욱이, FWM의 발생을 억제하는 관점에서 볼 때, 광 신호 증폭 섬유(45)에 사용되는 광섬유는 제로 산란 파장이 신호 광 파장 대역 또는 자극 광 파장 대역에 있지 않을 필요가 있다.
종래의 광섬유로서 이들 모든 조건을 충족하는 것은 힘들었지만, 본 발명에 따른 광섬유는 이들 조건을 충족할 수 있다.
도 3의 라만 증폭기(37)와 도 4의 라만 증폭기 간의 차이점
도 3에 도시된 파장 분할 자극 광원(33), 광 커플링 수단(34), 및 광 신호 전송 라인(35)으로 구성된 분산된 라만 증폭기라고 하는 라만 증폭기(47), 및 장 분할 자극 광원(43), 광 커플링 수단(44), 및 광 신호 증폭 섬유(45)로 구성된 개별적인 라만 증폭기라고 하는 라만 증폭기(47) 간의 차이점이 이하에 설명될 것이다.
라만 증폭은 위에서 설명된 바와 같이 전송 라인(전송 섬유)에서 발생하는 증폭으로, 전송 광 이외의 증폭 광을 전송 라인에 도입하기 위한 시스템이라고 한다. 전송 라인으로서 케이블에서의 섬유의 사용의 경우는 도 3에 도시된 "분산형(distributed type)"이라고 하는 한편, 증폭 광을 산란-보상 모듈과 같은 장치에 내장된 섬유(코일로 싸여져 릴레이 국 등에 설치되는 상태)로 도입하는 경우는 "개별적인 형(discrete type)"이라고 한다.
도 3의 광 신호 전송 라인(35)과 도 4의 광 신호 증폭 섬유(45) 간의 차이점은, 위에서 설명한 사용 모드에서의 차이점이다(케이블 또는 다른 전송 라인으로서 사용되거나 또는 개별적인-보상 모듈과 같이 장치에 내장되는 방식으로 사용되는).
전송 라인 및 전송 시스템의 구성 및 어플리케이션에 따라, 전송 라인과 개별-보상 모듈과 함께 사용되는 광섬유는 여러 가지 종류가 존재한다. 그러나, 본 발명에 관련된 것들은 도 1A 및 도 1B 및 도 2A 및 도 2B의 굴절률 프로필을 가질 필요가 있다. 굴절률 차와 다른 미소한 파라메타의 구별은 종류 및 어플리케이션에 따른다. 그러나, 본 발명에서, 명세서에 설명된 내용이 포괄된다.
도 3의 라만 증폭기(37)는, 라만 증폭이 발생하고 개별적인 것으로서 섬유(35, 36)를 참조하여 설명된 전송 라인을 포함하는 개념적인 범위를 도시한다. 한편, 도 4의 라만 증폭기(47)는 광 증폭 섬유(45)로서 개별적인-보상 모듈에 광섬유를 갖는 것으로서 도시되어 있다.
다음에, 본 발명에 따른 광섬유 및 해당 광섬유를 사용한 광 신호 시스템의 효율이 예를 참조하여 설명될 것이다.
광섬유의 예
본 발명에 따른 제1 및 제2 실시예의 광섬유, 및 비교 예의 광섬유가 표 1에 도시되어있다.
예 1은 상대 굴절률 차△1a, △2a 및 △3a의 값을 나타내는 도 2A 및 도 2B에 도시된 구성의 광섬유의 예인 한편, 예 2 및 3은 상대 굴절률 차 △1 및 △2의 값 그러나 상대 굴절률 차 △3a의 값을 나타내는 도 1A 및 도 1B에 도시된 구성의 광섬유의 예이다.
비교예 1은 상대 굴절률 차 △1만이 나타나 있기 때문에 단일 모두 섬유(SMF)의 예이다.
비교예 2는 △1, △2 및 △3이 나타나 있기 때문에, 도 2A 및 도 2B에 도시된 구성의 광섬유의 예이다. 1.10의 높은 상대 굴절률 차 △1, 적어도 1.1의 레일레이 산란 계수의 큰 값, 및 코어의 높은 굴절률을 끌어올리기 위한 훨씬 많은 도펀트의 증가를 갖는 광섬유의 예이다. 비교 예 2의 광섬유는 유효 영역(Aeff)에서 확대된 광섬유로서 광 신호 전송 라인에 사용된다.
비교예 3은 △1 및 △2가 나타나 있기 때문에 도 1A 및 도 1B에 도시된 구성의 광섬유의 예이다. 그러나, -75 ps/nm/km으로 산란이 감소한 개별적인-보상 섬유(DCF)의 예, 및 1.10의 높은 굴절률 차 △1, 및 적어도 2.2의 레일레이 산란 계수의 큰 값 및 코어의 놓은 굴절률을 증가시키기 위한 도펀트에서의 훨씬 많은 증가의 예이다.
표 1에서, 상대 굴절률 차 △1, △1a, △2, △2a, 및 △3a는 %이고, 클래딩 내부 직경은 μm이고, 산란의 단위는 ps/nm/km이고, 유효 영역(Aeff)의 단위는 ㎛2이고, 레일레이 산란 계수의 단위는 ㎛4·dB/km이다.
표 1에서, 본 발명에 따른 실시예로서의 예 1 내지 3의 모든 광섬유는 중심 코어와 클래딩 층 간에 적어도 하나의 환형 영역을 갖는 굴절률 프로필, 적어도 1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수, 0.0% 이하의 양의 값의 제1 굴절률 차 △1 또는 △1a, 0.7% 내지 -0.2%의 제2 굴절률 차 △2를 갖는 조건을 충족시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예의 광섬유는 라만 증폭에 적합하다.
레일레이 산란 계수는 굴절률 프로필, 글래스 성분, 및 제조 조건과 같은 다양한 인수에 의해 영향을 받는 파라메타이다. 예를 들어 만일 굴절률 프로필의 형태를 정의할 때에도 정의될 수 없다.
시스템용 라만 증폭 시스템에 사용되는 광섬유의 적합성을 조정하기 위해 레일레이 산란 계수를 고려하려 시도할 때 광섬유의 레일레이 산란 계수를 측정하는 것이 양호한 관점으로 볼 때, 본 발명은 라만 증폭에 사용되는 광섬유의 레일레이 산란 계수를 고려하였고, 표 1 및 표 2에 도시된 바와 동일한 것에 대해 적합한 값을 발견하고 정의하였다.
광 신호 전송 시스템의 제1 실시예
광 신호 전송 라인(35)에 대해 표 1의 예 1, 예 2, 예 3, 비교 예 1, 및 비교 예 2의 광섬유를 사용한 도 3의 광 신호 전송 시스템에서 광섬유, 광 신호 전송 실험이 수행되었다.
실험에 대한 선결 조건으로서, 광 신호 전송 장치(31)와 광 신호 수신 장치(32) 간의 거리는 약 100km로 되어 있고, 40Gbps/초의 광 신호는 1540nm 내지 1565nm의 파장 범위에서 등간격으로 정렬되었고, 광 신호 수신 장치(32)에서의 신호 광의 레벨은 실험 도중에 일정하게 되었다. 파장 분할 자극 광원(33)에 포함된 광원의 파장 및 전력은, 파장 대 이득 특성이 비교적 평탄, 예를 들어 1dB 내의 편차를 나타내도록 조정되었다.
광 신호 전송 시스템(35)에 사용된 광섬유의 종류, 자극 광의 전력 및 광 신호 전송 실험의 결과가 표 2에 도시되어 있다. 자극 광의 전력은 총 전력이고, 단위는 ㎽이었다는 것을 알아야 한다. BER의 값이 광 신호 전송 시스템을 통해 열화하지 않을 때 광 신호 전송 실험의 결과가 "양호"로 표시되어 있고 BER의 값이 열화할 때 "불량"으로 표시되어 있다.
표 2의 결과로부터, 제1 광 신호 전송 라인(35)의 적어도 일부에 대해 본 발명에 따른 실시예에 기초한 예 1 내지 3의 광섬유를 사용한 광 신호 전송 시스템은, 비교 예 1 및 2의 광섬유를 사용한 도 3의 광 신호 전송 시스템과 비교하여 다음과 같은 장점을 갖는 것을 알았다.
(1) 예 1의 광섬유의 사용 경우
표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 예 1의 광섬유와 비교 예 1의 광섬유를 비교하면, 레일레이 산란 계수는 실질적으로 동일하지만, 본 발명에 따른 예 1의 광섬유는 보다 작은 유효 영역(Aeff)을 갖는다. 따라서, 도 3의 광 신호 전송 시스템에서 라만 효율이 개선된다. 즉, 본 발명에 따른 예 1의 광섬유는 비교 예 1의 광섬유와 비교하여 라만 증폭에 보다 적합하다고 말 할 수 있다.
본 발명에 따른 예 1의 광섬유를 비교 예 2의 광섬유와 비교하면, 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 예 1의 광섬유는 비교 예 2와 비교하여 보다 작은 레일레이 산란 계수와 유효 영역(Aeff)을 갖는다. 따라서, 도 3의 광 신호 전송 시스템에서 SNR 및 라만 효율이 개선된다. 즉, 본 발명에 따른 예 1의 광섬유는비교 예 2의 광섬유와 비교할 때 라만 증폭에 보다 적합하다.
(2) 예 2의 광섬유의 사용 경우
본 발명에 따른 예 2의 광섬유를 비교 예 1의 광섬유와 비교하면, 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 예 2의 광섬유는 수 % 보다 큰 레일레이 산란 계수 및 보다 작은 유효 영역(Aeff)을 갖는다. 따라서, 도 3의 광 신호 전송 시스템에서 라만 효율이 크게 개선된다. 즉, 본 발명에 따른 예 2의 광섬유는 비교 예 1의 광섬유와 비교하여 라만 증폭에 보다 적합하다.
본 발명에 따른 예 2의 광섬유를 비교 예 2의 광섬유와 비교하면, 표 1에 도시된 바와 같이, 보다 작은 레일레이 산란 계수 및 유효 영역(Aeff) 모두를 갖는다. 따라서, 도 3의 광 신호 전송 시스템에서 SNR 및 라만 효율이 개선된다. 즉, 본 발명에 따른 예 2의 광섬유가 비교 예 2의 광섬유와 비교하여 라만 증폭에 보다 적합하다는 것을 알 수 있다.
(3) 예 3의 광섬유의 사용 경우
광 신호 전송 라인(35)에 대해 본 발명에 따른 예 3의 광섬유를 사용할 때에도, 본 발명에 따른 예 2의 광섬유를 사용할 때와 실질적으로 동일한 효과가 얻어진다.
광 신호 전송 시스템의 제2 실시예
도 4의 광 신호 전송 시스템에서, 광 신호 증폭 섬유(45)에 대해 표 1의 예 1, 예 2 및 비교예 3을 사용하여 광 신호 전송 실험이 수행되었다.
실험의 선결조건으로서, 광 신호 전송 장치(41)와 광 신호 수신 장치(42) 간의 거리는 약 100km이었고, 40 Gbps/초의 16 광 신호가 1540nm 내지 1564nm의 파장 범위에 등간격으로 배열되고, 광 신호 수신 장치(42)에서의 신호 광의 레벨이 실험에서 일정하게 되었다. 광 신호 증폭 섬유(45)의 길이와, 파장 분할 자극 광원(43)에 포함된 광원의 파장과 전력은, 파장 대 이득 특성이 비교적 평탄, 예를 들어 1dB 이내의 편차를 나타내도록 조정되었다.
광 증폭 섬유(45)에 사용된 광섬유의 종류 및 길이, 자극 광의 전력, 및 광 신호 송신 실험의 결과는 본 발명의 예 및 비교 예에 대해 표 3에 도시되어 있다. 표 3에서, 광섬유의 길이에 대한 단위는 km라는 것을 알아야 한다. 광 신호 전송 실험의 결과는 표 2에서와 같이 "양호" 또는 "불량"으로 표시되어 있다.
표 3의 결과로부터, 본 발명에 따른 실험에 기초한 예 2 및 3의 광섬유를 사용한 도 4의 광 신호 전송 시스템은 비교 예 3의 광섬유를 사용한 도 4의 광 신호 전송 시스템에 비해 다음과 같은 장점을 갖는다는 것을 알았다.
(1) 예 2의 광섬유의 사용 경우
본 발명에 따른 예 2의 광섬유를 비교 예 2의 광섬유와 비교하면, 본 발명에 따른 예 2의 광섬유는 작은 레일레이 산란 계수 및 큰 유효 영역(Aeff)을 갖는다. 따라서, 도 4의 광 신호 전송 시스템에서, 비록 라만 효율이 떨어지지만, SNR은 개선된다. 즉, 본 발명에 따른 예 2의 광섬유는 예 1의 광섬유의 비교하여 낮은 라만 증폭을 갖게 한다고 말할 수 있다.
(2) 예 3의 광섬유의 사용 경우
광 신호 증폭 섬유(45)에 대해 본 발명에 따른 예 3의 광섬유를 사용할 때에도, 본 발명에 따른 예 2의 광섬유의 사용 경우와 비교하여 실질적으로 동일한 효과가 얻어진다. 표 2 및 3에 도시된 바와 같이, 라만 증폭을 사용한 광 신호 전송 시스템은 표 1의 예 1 내지 3의 광섬유에 의해 잘 실현된다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 비교 예로서의 광 신호 전송 시스템은 라만 증폭에 적합하지 않다는 것을알 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 라만 증폭을 적합하게 수행하는 광섬유를 얻을 수 있고, 라만 증폭을 사용하여 광 신호 전송 시스템을 실현할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
비록 본 발명이 예시 목적의 특정 실시예를 참조로 설명되었지만, 기술분야의 숙련자는 본 발명의 기본적인 개념과 범위를 벗어나지 않고 수많은 수정이 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims (6)

  1. 굴절률 프로필(profile)을 가지며, 중심 코어(center core)와 클래딩 층(cladding layer) 간에 적어도 하나의 환형 영역(annular region)을 구비하는 광섬유에 있어서,
    1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수(Rayleigh scattering coefficient),
    0.9% 이하의 양의 값의 상기 클래딩 층에 대해 상기 중심 코어의 제1 상대 굴절률차 △1,
    -0.7% 내지 -0.2% 범위의 상기 클래딩 층에 대해 상기 중심 코어에 인접하는 환형 영역의 제2 상대 굴절률 차 △2, 및
    60㎛4이하의 유효 영역(Aeff)을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  2. 제 1 항에 있어서, 1400 nm 내지 1600 nm 범위를 벗어난 제로 산란 파장(zero dispersion wavelength)을 더 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중심 코어의 주변에 형성된 하나의 환형 영역을 더 구비하되, 상기 클래딩 층은 상기 환형 영역의 주변에 형성되며, 상기 환형 영역의굴절률은 상기 클래딩 층의 굴절률 보다 작은 것을 특징으로 하는 광섬유.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중심 코어의 주변에 형성된 제1 환형 영역, 및 상기 제1 환형 영역의 주변에 형성된 제2 환형 영역을 더 구비하되, 상기 클래딩 층은 상기 제2 환형 영역의 주변에 형성되고, 상기 제1 환형 영역의 굴절률은 상기 클래딩 층의 굴절률보다 작으며, 상기 제2 환형 영역의 굴절률은, 상기 클래딩 층의 굴절률보다 크고, 상기 중심 코어의 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 광섬유.
  5. 광 신호 전송 시스템에 있어서,
    광 신호를 전송하기 위한 광 신호 전송 장치,
    상기 광 신호 전송 장치로부터 송신된 광 신호를 증폭하기 위한 라만(Raman) 증폭 수단,
    상기 라만 증폭 수단으로부터 송신된 광 신호를 수신하기 위한 광 신호 수신 장치 - 상기 라만 증폭 수단은, 적어도 일부에 굴절률 프로필을 가지며, 코어 수단과 클래딩 층 간에 적어도 하나의 환형 영역을 포함하고, 1 ㎛4·dB/km이하의 레일레이 산란 계수,
    0.9% 이하의 양의 값의 상기 클래딩 층에 대해 상기 중심 코어의 제1 상대굴절률 차 △1, -0.7% 내지 -0.2% 범위의 상기 클래딩 층에 대해 상기 중심 코어에 인접하는 환형 영역의 제2 상대 굴절률 차 △2, 및 60㎛4이하의 유효 영역(Aeff)을 가지며, 상기 광 신호 송신 장치로부터 방출된 신호 광을 수신하는 광섬유를 포함함-,
    서로 다른 파장을 갖는 복수의 자극 광(stimulated light)을 제공하기 위한 파장 분할 자극 광원, 및
    상기 광 신호 전송 라인으로부터 전송된 광 신호, 및 상기 파장 분할 자극 광원으로부터 전송된 광 신호를 결합하기 위한 광 결합 수단을 구비하되,
    상기 파장 분할 자극 광원으로부터 상기 광 신호 전송 라인에서 상기 파장 분할 자극 광원에서 상기 광섬유로 파이어링(firing)하므로써 라만 증폭을 수행하는 것을 특징으로 하는 광 신호 전송 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 광 신호 전송 라인에 포함된 광섬유는 1400nm 내지 1600nm 범위를 벗어난 제로 산란 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 광 신호 전송 시스템.
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