KR20050007717A

KR20050007717A - 고속, 근거리 통신망을 위한 언덕형 광섬유

Info

Publication number: KR20050007717A
Application number: KR1020030047296A
Authority: KR
Inventors: 장윤근; 최성욱
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-01-21
Also published as: US6873775B2; US20050008312A1; KR100526516B1

Abstract

본 발명에 따른 고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유는,언덕형 굴절률 분포를 갖는 코어와; 상기 코어를 둘러싸며, 상기 코어 내에 광을 가두기 위한 클래드를 포함하며, 상기 코어 내에서 1300㎚ 파장과 850㎚ 파장의 전파 모드 지연차가 그 반경 방향을 따라 전체적으로 증가하는 양상을 보이며, 적어도 상기 코어 반경의 50%에 해당하는 반경까지 양 파장들의 전파 모드 지연차의 차이가 0.6 ㎱/㎞ 이내의 값을 갖는다.

Description

고속, 근거리 통신망을 위한 언덕형 광섬유{GRADED-INDEX OPTICAL FIBER FOR HIGH BIT-RATE AND LOCAL AREA NETWORK}

본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 언덕형 굴절률 분포를 갖는 다중모드 광섬유에 관한 것이다.

통상적으로, 광섬유는 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 코어(core)와, 이를 둘러싸며 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 클래드(clad)를 포함한다. 광섬유는 그 내부로 진행하는 광신호 모드의 수에 따라 단일 모드 광섬유(single mode optical fiber: SMF)와 다중 모드 광섬유(multimode optical fiber: MMF)로 구분된다. 다중 모드 광섬유 중에서 언덕형 광섬유(graded-index optical fiber: GRIN optical fiber)는 코어가 언덕형 굴절률 분포를 갖는다. 다중 모드 광섬유의 여러 광특성들중에서 손실(attenuation) 특성과 함께 대역폭(bandwidth: B/W) 특성은 다중모드 광섬유의 성능을 결정하는 중요한 요소들로 알려져 있다. 언덕형 광섬유의 굴절률 분포는 광섬유 내에 존재하는 모드들(modes)간의 전송 속도 차이(differential mode delay: DMD)를 최소한으로 줄여서, 전송 특성을 향상시킬 수 있다고 알려져 있다. 이러한 언덕형 광섬유는 대부분 발광 다이오드 기반의 통신에 사용되어져 왔다.

도 1은 언덕형 광섬유에 광을 라운칭(launching)하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에는, 코어(110)와 클래드(120)를 포함하는 언덕형 광섬유(100)가 도시되어 있다. 상기 언덕형 광섬유(100)에 광을 라운칭하는 방법은 사용되는 광원에 따라 달라진다. 발광 다이오드(light emitting diode: LED)를 사용하는 경우에는 상기 코어(110)의 단면 전체에 걸쳐 광을 조사하는 반면에, 레이저 다이오드(laser diode: LD)를 사용하는 경우에는 상기 코어(110)의 단면 중심 부분에 광을 조사한다.

종래에는 발광 다이오드를 주로 사용하여 언덕형 광섬유의 대역폭을 측정하여 왔으나, 기가비트 이더넷과 같은 고속 통신에서는 레이저 다이오드를 대체로 사용하므로, 레이저 다이오드를 사용하여 언덕형 광섬유의 대역폭을 측정하는 것이 필요하다.

존 에스 애보트 3세(John S. Abbott) 등에 의해 출원되어 특허허여된 미국특허번호 제6,438,303호(LASER OPTIMIZED MULTIMODE FIBER AND METHOD FOR USE WITH LASER AND LED SOURCES AND SYSTEM EMPLOYING SAME)는 언덕형 광섬유의 주된 사용파장들인 850㎚ 및 1300㎚ 모두에서 높은 전송 속도에 요구되는 전송 특성을 만족시키기 어렵다는 것을 교시하고 있다.

그러나, 요구되는 전송 용량이 점차로 높아져 감에 따라서 1 기가비트(gigabit) 또는 그 이상의 전송 속도(~ 2.5, 10 기가비트 이더넷)를 지원하고 복수의 사용 파장들에서 요구되는 전송 특성을 만족하는 다중모드 광섬유를 필요로 하고 있으나, 적절한 해결 방안이 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드 기반의 광통신에 적용 가능하며, 1 기가비트 이상의 전송 속도를 지원하고 복수의 사용 파장들에서 요구되는 전송 특성을 만족시킬 수 있는 언덕형 광섬유를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고속, 근거리 통신망을 위한 언덕형 광섬유는, 언덕형 굴절률 분포를 갖는 코어와; 상기 코어를 둘러싸며, 상기 코어 내에 광을 가두기 위한 클래드를 포함하며, 상기 코어 내에서 1300㎚ 파장과 850㎚ 파장의 전파 모드 지연차가 그 반경 방향을 따라 전체적으로 증가하는 양상을 보이며, 적어도 상기 코어 반경의 50%에 해당하는 반경까지 양 파장들의 전파 모드 지연차의 차이가 0.6 ㎱/㎞ 이내의 값을 갖는다.

도 1은 언덕형 광섬유에 광을 라우칭하는 방법을 설명하기 위한 도면,

도 2 및 도 3은 제1 비교예에 따른 제1 언덕형 광섬유의 비트 에러율 그래프들,

도 4는 제1 언덕형 광섬유의 파장별 모드 지연차들을 반지름 방향을 따라 나타낸 그래프,

도 5 및 도 6은 제2 비교예에 따른 제2 언덕형 광섬유의 비트 에러율 그래프들,

도 7은 상기 제2 언덕형 광섬유의 파장별 모드 지연차들을 반지름 방향을 따라 나타낸 그래프,

도 8 및 도 9는 제2 비교예에 따른 제3 언덕형 광섬유의 비트 에러율 그래프들,

도 10은 상기 제3 언덕형 광섬유의 파장별 모드 지연차들을 반지름 방향을 따라 나타낸 그래프,

도 11은 본 발명에 따른 언덕형 광섬유의 구성을 나타내는 도면,

도 12는 스트레스 릴리즈(stress release)를 적용한 광섬유의 스트레스 그래프를 나타낸 도면,

도 13 및 도 14는 도 11에 도시된 광섬유의 비트 에러율 그래프들을 나타낸 그래프,

도 15는 상기 언덕형 광섬유의 파장별 모드 지연차들을 반지름 방향을 따라 나타낸 그래프,

도 16 및 도 17은 도 11에 도시된 광섬유의 아이 다이어그램들을 나타낸 도면들.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 발명은 종래에 언덕형 광섬유의 주된 사용 파장들인 850㎚ 및 1300㎚ 모두에서 높은 전송 속도에 요구되는 전송 특성을 만족시키기 어려운 이유를 밝히고, 그 해결 방안을 제공하고자 한다.

언덕형 광섬유의 여러 광특성들 중에 손실 특성과 함께 대역폭 특성은 그 성능을 결정하는 중요한 요소들임은 전술한 바와 같다. 이에 더하여 모드 지연 차(DMD : Differential Mode Delay)도 중요한 요소들 중의 하나이나, 모드 지연 차와 전송 속도의 상관 관계는 명확히 규명된 바 없다. 다중모드 광섬유를 통해 전송되는 모드들간의 전송 속도의 차이(DMD : Differential Mode Delay)는 낮은 전송 속도에서는 큰 영향을 미치지 않으나 1 기가비트 이상의 전송 속도에서는 전송 품질을 크게 저하시키는 요인으로 작용한다. 이러함에도 불구하고, 종래에는 언덕형 광섬유의 성능을 평가하기 위해 대역폭만을 측정하여 왔다. 이하, 도 1 내지 도 9을 참조하여 언덕형 광섬유의 주된 사용 파장들인 850㎚ 및 1300㎚에 대하여 다양한 대역폭들에 따른 비트 에러율과 모드 지연차를 살펴보기로 한다.

도 2 및 도 3은 제1 비교예에 따른 제1 언덕형 광섬유의 비트 에러율 그래프들을 나타낸다. 도 2는 대역폭 300㎒·㎞의 850㎚ 파장에서 상기 제1 언덕형 광섬유의 파워별 비트 에러율(bit error rate: BER)을 나타낸 그래프이고, 도 3은 대역폭 1100㎒·㎞의 1300㎚ 파장에서 상기 제1 언덕형 광섬유의 파워별 비트 에러율을나타낸 그래프이다. 도 4는 상기 제1 언덕형 광섬유의 파장별 모드 지연차(differential mode delay)들을 반지름 방향을 따라 나타낸 그래프이다. 도시된 두 그래프들 간의 모드 지연차의 최대 차이가 1㎱/㎞를 초과함을 알 수 있다.

도 5 및 도 6은 제2 비교예에 따른 제2 언덕형 광섬유의 비트 에러율 그래프들을 나타낸다. 도 5는 대역폭 4000㎒·㎞의 850㎚의 파장에서 상기 제2 언덕형 광섬유의 파워별 비트 에러율을 나타낸 그래프이고, 도 6은 대역폭 600㎒·㎞의 1300㎚ 파장에서 상기 제2 언덕형 광섬유의 파워별 비트 에러율을 나타낸 그래프이다. 도 7은 상기 제2 언덕형 광섬유의 파장별 모드 지연차들을 반지름 방향을 따라 나타낸 그래프이다. 도시된 두 그래프들 간의 모드 지연차의 최대 차이가 약 1㎱/㎞에 미치는 것을 알 수 있다.

도 8 및 도 9는 제2 비교예에 따른 제3 언덕형 광섬유의 비트 에러율 그래프들을 나타낸다. 도 8은 대역폭 1300㎒·㎞의 850㎚의 파장에서 상기 제3 언덕형 광섬유의 파워별 비트 에러율을 나타낸 그래프이고, 도 9는 대역폭 600㎒·㎞의 1300㎚의 파장에서 상기 제3 언덕형 광섬유의 파워별 비트 에러율을 나타낸 그래프이다. 도 10은 상기 제3 언덕형 광섬유의 파장별 모드 지연차들을 반지름 방향을 따라 나타낸 그래프이다. 도시된 두 그래프들 간의 모드 지연차의 최대 차이가 1㎰/㎞ 이하인 것을 알 수 있다. 상기 제3 언덕형 광섬유의 코어 반경의 50%에 해당하는 지점에서 도시된 두 그래프들 간의 모드 지연차의 차이가 약 0.7㎰/㎞인 것을 알 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 언덕형 광섬유의 구성을 나타내는 도면이다. 상기언덕형 광섬유(300)는 하기 <수학식 1>에 따른 언덕형 굴절률 분포를 갖는 코어(310)와, 상기 코어(310)를 둘러싸며 상기 코어(310) 내에 광을 가두기 위한 클래드(320)를 포함한다. 상기 코어(310)는 a의 반경을 가지며, 상기 클래드(320)는 b의 반경을 갖는다.

상기 <수학식 1>에서, r(≤a)은 상기 코어(310)의 중심에서부터의 반지름, N은 반지름 r인 지점의 굴절률, Δ는 굴절률차, N₀는 상기 클래드(320)의 굴절률, N₁은 r=0인 지점의 굴절률, 그리고 α는 형상 지수를 나타낸다.

현재 근거리 통신망(local area network: LAN)을 비롯한 MMF를 사용하는 통신망에서는 단파장(850nm)과 장파장(1300nm), 양 파장들에서 대역폭 조건들이 각각 일정 수준 이상이여야 한다. 고속 전송망에서는, 언덕형 광섬유의 코어의 일정 부분에만 광을 라운칭시키므로, 코어 중심 영역의 굴절률 분포의 편차(deviation)는 광전송에 치명적인 악영향을 미치게 된다. 코어의 모든 영역의 굴절률 분포가 편차 없이 형성되기에는 한계가 있으며, 클래드 쪽에 가까운 영역에 많이 분포되는 고차 모드(high order mode)보다는 코어의 중심 영역으로 전파되는 저차 모드(low order mode)의 전파 특성이 제한된 라운칭 방식의 통신에 영향을 주게 된다. 코어 영역의 언덕형 굴절률 분포를 만드는 각 패스별 물성차는 열적 응력(thermal stress)을 유발하며 이를 해소하기 위해 패스별 증착 조건을 최적화하는 것이 필요하다. 코어의 중심 영역의 편차를 줄이기 위해서는 내부 화학 증착 방법( MCVD : Modified Chemical Vapor Deposition)에서 응축(Collapse) 및 밀봉(Close) 공정들을 진행할 때 세밀한 제어를 위해 진공(vacuum) 공정을 진행하는 것이 바람직하다. 양 파장 영역들에서 만족되는 최적의 형상 지수로 설계하여 모재(preform)를 만들더라도, 인출하면서 발생되는 인출 장력(drawing tension)이 굴절률 분포의 왜곡에 기인하는 기계적 응력(mechanical stress)을 유발할 수 있으며, 이러한 기계적 응력을 최소화될 수 있게 보조 열원(subsidiary heat source)을 사용하여 인출하는 것이 바람직하다.

도 12는 스트레스 릴리즈(stress release)를 적용한 광섬유의 스트레스 그래프를 나타낸 도면이다. 도 12에는 비교를 위하여, 보조 열원을 사용하여 스트레스 릴리즈를 적용한 광섬유의 스트레스 그래프(210)와 보조 열원을 사용하지 않은 광섬유의 스트레스 그래프(220)가 도시되어 있다. 비교하여 보면, 두 스트레스 그래프들간에 약 60 MPa 정도의 스트레스차가 발생함을 알 수 있다.

도 13 및 도 14는 도 11에 도시된 광섬유의 비트 에러율 그래프들을 나타낸 그래프이다. 도 13은 대역폭 850㎒·㎞의 850㎚의 파장에서 상기 언덕형 광섬유(300)의 파워별 비트 에러율을 나타낸 그래프이고, 도 14는 대역폭 1400㎒·㎞의 1300㎚ 파장에서 상기 언덕형 광섬유(300)의 파워별 비트 에러율을 나타낸 그래프이다. 도 15는 상기 언덕형 광섬유(300)의 파장별 모드 지연차들을 반지름 방향을 따라 나타낸 그래프이다. 상기 코어 내에서 1300㎚ 파장과 850㎚ 파장의 전파모드 지연차가 그 반경 방향을 따라 전체적으로 증가하는 양상을 보이며, 도시된 두 그래프들 간의 모드 지연차의 최대 차이가 1㎱/㎞ 미만임을 알 수 있다. 상기 언덕형 광섬유(300)의 코어(310) 반경의 50%에 해당하는 지점에서 도시된 두 그래프들 간의 모드 지연차의 차이가 약 0.5㎱/㎞인 것을 알 수 있다. 고속 전송 속도에서 상기 코어(310) 전 영역의 모드 지연차가 영향을 미치는 것은 아니다. 상기 코어(310)의 굴절률 분포 모양이 파장의 함수이므로 850nm 및 1300nm 파장에서 나타나는 굴절률 형상들은 다르며, 통상 언덕형 광섬유는 두 파장 영역들을 모두 사용하므로, 어느 한 파장 영역에서 우수한 모드 지연차를 보인다고 해서 양쪽 모두를 만족하는 것은 아니다. 또한, 굴절률 분포만으로는 고속 전송 성능을 확인할 수 없다. 이러한 양파장의 영역들을 만족하기 위해서는 양 파장들의 모드 지연차의 차이가 통상 1.2㎱/km 정도 범위 내에 존재하여야 고속 전송이 가능하다. 바람직하게는, 적어도 상기 코어(310) 반경의 50%에 해당하는 반경까지 양 파장들의 전파 모드 지연차의 차이가 0.6 ㎱/㎞ 이내의 값을 갖는다. 도시된 바와 같이, 상기 코어(310) 내에서 1300㎚ 파장 또는 850㎚ 파장에 대하여 전파 모드 지연의 순간 변화율의 부호가 한 번 이상 변경될 수 있다. 또한, 상기 순간 변화율은 0에 이를 때까지 그 절대값이 증가후 감소하는 양상을 보인다. 상기 코어(310)가 50㎛의 직경을 갖는 경우에, 상기 코어(310) 내에서 1300㎚ 파장 또는 850㎚ 파장에 대하여 전파 모드 지연의 순간 변화율의 절대값이 적어도 상기 코어(310) 외경의 40%에 해당하는 반경까지 0~0.9 범위의 값을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 코어(310)가 62.5㎛의 직경을 갖는 경우에, 상기 코어(310) 내에서 1300㎚ 파장 또는 850㎚파장에 대하여 전파 모드 지연의 순간 변화율의 절대값이 적어도 상기 코어(310) 외경의 32%에 해당하는 반경까지 0~0.9 범위의 값을 갖는 것이 바람직하다.

도 16 및 도 17은 도 11에 도시된 광섬유의 아이 다이어그램들을 나타낸 도면들이다. 도 16은 850㎚의 파장에서 1 기가비트 전송 특성을 만족하는 상기 언덕형 광섬유의 아이 다이어그램(eye diagram)을 나타낸 도면이고, 도 17은 1300㎚ 파장에서 1 기가비트 전송 특성을 만족하는 상기 언덕형 광섬유의 아이 다이어그램을 나타낸 도면이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 언덕형 광섬유는 850nm 및 1300nm 파장 영역을 만족하는 모드 지연차를 가짐으로써, 1 기가비트 이상의 전송 속도를 지원하고 복수의 사용 파장들에서 요구되는 전송 특성을 만족시킬 수 있다는 이점이 있다.

Claims

고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유에 있어서,

하기 <수학식 2>에 따른 언덕형 굴절률 분포를 갖는 코어와;

상기 코어를 둘러싸며, 상기 코어 내에 광을 가두기 위한 클래드를 포함하며,

상기 코어 내에서 1300㎚ 파장과 850㎚ 파장의 전파 모드 지연차가 그 반경 방향을 따라 전체적으로 증가하는 양상을 보이며, 적어도 상기 코어 반경의 50%에 해당하는 반경까지 양 파장들의 전파 모드 지연차의 차이가 0.6 ㎱/㎞ 이내의 값을 가짐을 특징으로 하는 고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유.

(r: 반지름, N: 반지름 r인 지점의 굴절률, Δ: 굴절률차, N₀: 상기 클래드의 굴절률, N₁: r=0인 지점의 굴절률, a: 상기 코어의 외경, α: 형상 지수)
제1항에 있어서,

상기 코어 내에서 1300㎚ 파장 또는 850㎚ 파장에 대하여 전파 모드 지연의순간 변화율의 부호가 한 번 이상 변경됨을 특징으로 하는 고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유.
제2항에 있어서,

상기 순간 변화율은 0에 이를 때까지 그 절대값이 증가후 감소하는 양상을 보임을 특징으로 하는 고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유.
고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유에 있어서,

하기 <수학식 3>에 따른 언덕형 굴절률 분포를 갖는 코어와;

상기 코어를 둘러싸며, 상기 코어 내에 광을 가두기 위한 클래드를 포함하며,

상기 코어는 50㎛의 직경을 가지며, 상기 코어 내에서 1300㎚ 파장과 850㎚ 파장의 전파 모드 지연차가 그 반경 방향을 따라 전체적으로 증가하는 양상을 보이고, 적어도 상기 코어 반경의 50%에 해당하는 반경까지 양 파장들의 전파 모드 지연차의 차이가 0.6 ㎱/㎞ 이내의 값을 가지며, 상기 코어 내에서 1300㎚ 파장 또는 850㎚ 파장에 대하여 전파 모드 지연의 순간 변화율의 절대값이 적어도 상기 코어 외경의 40%에 해당하는 반경까지 0~0.9 범위의 값을 가짐을 특징으로 하는 고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유.

(r: 반지름, N: 반지름 r인 지점의 굴절률, Δ: 굴절률차, N₀: 상기 클래드의 굴절률, N₁: r=0인 지점의 굴절률, a: 상기 코어의 외경, α: 형상 지수)
고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유에 있어서,

하기 <수학식 4>에 따른 언덕형 굴절률 분포를 갖는 코어와;

상기 코어를 둘러싸며, 상기 코어 내에 광을 가두기 위한 클래드를 포함하며,

상기 코어는 62.5㎛의 직경을 가지며, 상기 코어 내에서 1300㎚ 파장과 850㎚ 파장의 전파 모드 지연차가 그 반경 방향을 따라 전체적으로 증가하는 양상을 보이고, 적어도 상기 코어 반경의 50%에 해당하는 반경까지 양 파장들의 전파 모드 지연차의 차이가 0.6 ㎱/㎞ 이내의 값을 가지며, 상기 코어 내에서 1300㎚ 파장 또는 850㎚ 파장에 대하여 전파 모드 지연의 순간 변화율의 절대값이 적어도 상기 코어 외경의 32%에 해당하는 반경까지 0~0.9 범위의 값을 가짐을 특징으로 하는 고속, 근거리 통신망을 위한 전송 광섬유.

(r: 반지름, N: 반지름 r인 지점의 굴절률, Δ: 굴절률차, N₀: 상기 클래드의 굴절률, N₁: r=0인 지점의 굴절률, a: 상기 코어의 외경, α: 형상 지수)