KR20090124990A - 해저 광섬유 전송 시스템들 - Google Patents

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Abstract

상대적으로 큰 유효 면적, 큰 음의 분산 계수, 및 상대적으로 낮은 감쇄를 갖는 광섬유들이 기술된다. 이들 광섬유들은 무-블록(blockless) 해저 케이블들을 위해 양의 분산 계수 광섬유들과 잇점이 있게 쌍을 이룬다.
광섬유, 해저, 케이블, 분산 계수

Description

해저 광섬유 전송 시스템들{UNDERSEA OPTICAL FIBER TRANSMISSION SYSTEMS}
본 발명은 개선된 광섬유들에 관한 것으로, 특히 장 및 중간 하울(haul) 해저 애플리케이션들(applications)을 위해 구성된 광섬유 케이블들에 관한 것이다.
해저 광섬유 케이블들은 수해에 걸쳐 상당수의 파장 분할 다중화(WDM) 채널들이 매우 높은 전송 용량을 제공하는 현재의 설계들로 발전하였다. 이 결과에 이르기 위해 과도한 누적 분산, 4-파 믹싱(four-wave mixing)과 같은 비-선형의 악형향들, 증폭기들 사이의 과도한 전송 손실, 각 증폭기 단(stage)에서의 과도한 접합(splice) 손실, 등을 피하도록 광섬유 속성들이 주의 깊게 관리된다. 전형적인 최신의 해저 케이블들은 전체 전송 길이에 걸쳐 누적 분산량을 제어하기 위해 분산 보상 섬유(dispersion compensating fiber; DCF)가 번갈아 구비된 음-분산 비-제로 분산 섬유(negative-dispersion non-zero dispersion fiber; NZDF)의 전송 길이들을 이용한다. 초기에 해저 케이블들은 몇개의 증폭기 구간(span)의 길이들, 즉 증폭기들 사이의 거리를 커버(cover)한 "블록들"로 설계되었다. 블록은 음(negative) 분산 전송 섬유의 몇개의 연이은 길이들을 가질 것이고, 상당한 음의 분산을 누적할 것이며, 이 지점에서 블록은 하나의 길이의 DCF(양의 분산) 광섬유로 끝날 것이 다. 누적 분산을 낮게 유지하기 위해, 이들 섬유들의 분산값들은 의도적으로 낮다.
진보된 광섬유 증폭기 프로토콜들의 도입은 더 큰 누적 음의 분산을 허용한다. 따라서, 더 새로운 해저 케이블 설계들은 "무-블록(blockless)", 단일 길이들의 DCF 섬유가 번갈아 구비된 단일 길이들의 음의 분산 계수 전송 섬유를 갖는다. 각각의 교번하여 증가하는 전송 섬유가 보상되기 때문에, 누적 분산값들을 더 크게 할 수 있게 된다. 더 진보된 이들 케이블 설계들은 전형적으로 새로운 특징인, 분산 기울기의 관리를 또한 부가한다. 음의 분산 전송 광섬유의 분산 기울기는 약간 음이다. 이것은 양의 분산 기울기를 갖는 보상 섬유와 매칭된다. 이들 케이블들의 설계는 두 속성들, 즉 분산 및 분산 기울기 둘 모두가 동시에 관리되기 때문에, 복잡하다. 이들 케이블들의 제조도 또한 복잡하고 비용이 부가된다. 복잡성에 더 부가되는 것은 음의 분산, 분산 기울기가 관리된 광섬유의 상대적으로 작은 유효 면적, 및 상대적으로 큰 감쇄이다. 이들 속성들은 전송 손실(km 당 dB) 및 접합 손실 둘 모두에 대해 음 결과들을 갖는다. 그러므로, 전체 설계는 케이블 내 현저히 부가된 단-대-단(end-to-end) 손실을 초래한다. 이러한 부가된 손실 속에 신호 강도를 보존하기 위해서는 상당한 부가된 비용으로 부가적인 증폭기들을 요구한다. 분산 기울기를 관리하는 것은 부가된 손실에 대한 수락가능한 절충을 제공할 것으로 예상되었다. 그러나, 많은 경우들에 있어서 이것은 그러한 것으로 입증되지 않을 수 있다.
다양한 광섬유 속성들 사이의 절충을 보다 효과적으로 다루고, 분산 기울기가 관리된 케이블들에 비교가능하지만 더 낮은 비용으로 전송 용량을 제공하는 새로운 해저 케이블 설계들이 바람직할 것이다.
케이블에서 사용된 광섬유가 더욱 경제적이고, 케이블 제조 복잡성이 감소되는 해저 애플리케이션들을 위해 구성된 광섬유 케이블을 설계하였다.
새로운 광섬유는 상대적으로 큰 유효 면적, 큰 음의 분산 계수, 및 상대적으로 낮은 감쇄를 갖는다. 이것은 잇점이 있게 무-블록 해저 케이블 설계들에 대해 경제적인 표준 단일 모드 섬유(SSMF) 또는 대단히 큰 유효 면적 섬유(SLA)와 쌍이 된다. 음의 분산 계수 광섬유는 예를 들면, 역 분산 섬유(IDF)보다 현저하게 더 큰 유효 면적을 갖고, 이에 따라 접합 손실들을 감소시킨다.
본 발명의 높은 음의 분산 계수 광섬유는 다음의 속성들을 갖는다.
분산 계수 -8 내지 -17 ps/nm-km, 바람직하게는 -12 내지 -15 ps/nm-km
분산 기울기 +0.03 내지+0.07 ps/nm2-km
유효 면적 40 ㎛ 내지 60 ㎛2, 바람직하게는 45 내지 55 ㎛2
감쇄 0.205 dB/km 미만
큰 면적(LA) 및 큰 음의 분산(LND)과의 조합은 LALND로 나타낸 이 광섬유 설계를 특징짓는다.
광섬유 설계에서 공통적인 목적은 소위 3중 클래드 형상(clad shape)의 굴절률 프로파일을 갖는 섬유이다. 복합 굴절률 프로파일들을 사용하여 넓은 범위의 광 전송 특징들이 실현될 수 있으나, 단순한 3중 클래드 프로파일을 사용하여 상기 표의 전송 특징들을 갖는 광섬유를 제작하기는 수월하지 않다. 이 형상은 비도핑된 실리카보다 큰 굴절률을 갖는 실리카로 주로 구성된 중심 코어를 포함한다. 이 영역의 굴절률을 높이는 것은 전형적으로 게르마니아(germania)로 실리카를 도핑함으로써 달성된다. 코어 형상은 공지된 알파 프로파일에 의해 기술될 수 있으나, 전형적으로 프리폼(preform) 제조 처리에 관련된 문제들에 기인하는 온-축 "인덱스 딥(index dip)"을 또한 포함할 수도 있다. 코어 알파 파라미터(core alpha parameter)는 전형적으로 1보다 크지만, 약 20 이하이다. 중심 코어는 비도핑된 실리카보다 작은 굴절률을 갖는 환형 영역에 의해 둘러싸인다. 이 "트렌치(trench)" 영역 내의 굴절률은 반경에 따른 인덱스 구배(gradient)가 제로에 가깝지 않은 영역의 내부 및 외부 반경에서 인덱스가 천이되는 영역들이 있을 수가 있으나, 근사적으로 반경의 함수로서 일정하다. 트렌치 영역 내에서 감소된 굴절률은 일반적으로 플루오르(fluorine)가 도핑된 실리카를 사용하여 형성된다. 트렌치 영역은 링(ring) 영역으로서 언급되는 굴절률을 높인 또 다른 환형 영역에 의해 둘러싸인다. 링 영역은 영역 경계들 근처를 제외하고, 근사적으로 일정한 굴절률을 갖는다. 링 영역은 일반적으로 비도핑된 실리카의 굴절률 이상으로 굴절률을 높이기 위해 게르마니아로 도핑된다. 고리의 외부 반경보다 큰 반경의 영역은 클래딩 영역(cladding region)으로서 언급된다. 클래딩 영역은 일반적으로 비도핑된 실리카에 의해 형성되지만, 감소된 굴절률의 영역들을 포함할 수 있다. 클래딩 영역 내의 감소된 굴절률 층은 플루오르 도핑에 의해서 또는 실리카의 보이드들(voids)의 존 재에 의해 달성될 수도 있다.
3중 클래드 인덱스 프로파일 형상을 갖고 표준 제조 기술들을 사용하는, 상기 전송 속성들을 가진 광섬유들이 도 1에 도시되었다. 이들 프로파일들은 코어 영역의 알파 파라미터가 약 20일 때 바람직하다. 도 1의 프로파일 예들은 스텝(step) 인덱스 코어 형상을 사용하고, 전형적으로 20보다 큰 코어 알파를 갖는다. 많은 경우들에서는 약 1 내지 약 10 범위의 알파값을 갖는 "알파-프로파일(alpha-profile)" 형상에 의해 기술된 그레이드된(graded) 인덱스 코어를 갖는 섬유를 제조하는 것이 바람직하다. 알파 프로파일이 사용될 때, 코어 반경은 전형적으로 더 크고 코어 델타의 최대값은 전형적으로 동등한 전송 속성들을 갖는 스텝 인덱스 섬유에 대한 것보다 전형적으로 더 크다. 상기 기술된 동등한 바람직한 전송 속성들은 이들 더 작은 값들의 코어 알파로 획득될 수 있다. 일반적으로 더 작은 값의 코어 알파로 실현되는 동등한 전송 속성들을 갖는 섬유에 대해, 코어 반경은 약간 더 크고 예를 들면, 3 내지 5 마이크론이고, 코어 굴절률의 최대값은 도시된 프로파일들에 비교했을 때 약간 더 크다.
도 2는 상기 나열된 범위들 내에서 전송 속성들을 달성하는 광섬유 굴절률 프로파일들의 예들을 도시한 도면이다. 실선의 곡선은 20인 코어 알파를 갖는 스텝 인덱스 프로파일을 나타낸다. 점선의 곡선은 6인 코어 알파를 갖는 그레이드된 인덱스 프로파일을 나타낸다.
이미 언급된 것들 외에도, 중요한 또 다른 광섬유 속성은 편광 모드 분산(PMD)이다. 최첨단 케이블들에 대한 수락가능한 한계들 내에서 PMD은 지금 논의 된 속성들 및 굴절률 프로파일들을 갖는 광섬유들에선 전형적이다. 이들 광섬유들에서 PMD에 대한 유용한 명세(specification)는 0.04 ps/km0.5, 또는 그 미만이다.
상기 기술된 높은 음의 분산 계수 광섬유는 해저 전송 케이블 애플리케이션들, 특히 소위 무-블록 설계에서 양 및 음의 분산 계수 섬유의 쌍 길이들을 사용하는 것들을 위해 설계된다. 그러나, 이들 고유의 전송 속성들을 갖는 광섬유에 대해 다른 애플리케이션들이 발견될 수도 있음이 이해되어야 한다.
해저 케이블들의 설계는 해저에서 사용된 증폭기들이 지상 케이블에서 사용된 것보다 상당히 더 엄격한 설계 요건들을 갖는다. 일 예로서, 해저에서는 럼프된(lumped) 증폭기들은 사용되지 않는다. 이에 따라, 해저 케이블의 증폭기들은 고가이고, 손실에 작은 감소라도, 전송 신호에서 파워 손실들을 감소시키는 임의의 광섬유 설계가 긴 길이들의 해저 케이블의 비용에 큰 영향을 미칠 수 있다. 증폭기들은 전형적으로 80 내지 100 km에 걸쳐 있다. 태평양 횡단 해저 케이블은 수십개의 증폭기들을 가질 수도 있다. 최근에 발표된 "유니티(Unity)" 태평양 횡단 케이블은 10,000 km의 명목상 길이를 갖는다.
최근에 개발된 최첨단 해저 케이블 설계는 SLA 및 IDF 섬유의 쌍 구간들을 사용하는 분산 관리된 설계이다. 블록된 분산 맵은 전형적으로, 대략 10개의 전송 증폭기 구간들 다음에 배치된 하나의 보상 섬유 증폭기 구간을 배치하여 각 전송 광섬유 증폭기의 평균 분산이 2 내지 4 ps/nm-km에 걸쳐 있도록 구성된다. 이러한 소위 블록 설계는 누적 분산 및 분산 기울기 둘 모두를 관리한다. SLA 섬유는 상대 적으로 작은 양의 분산 기울기를 갖고, IDF 섬유는 상대적으로 작은 음의 분산 기울기를 갖는다. 또한, 분산값들은 부호가 반대이다. 이것은 단일 증폭기 구간에서 사용된 이들 광섬유들의 쌍들이 작은 파장 분산 뿐만 아니라 낮은 누적 분산에 매칭되는 분산이 되게 한다.
도 3의 분산 맵을 참조하면, 해저 전송 거리 대 누적 분산의 플롯이 도시되었다. 도시된 분산 맵은 종래 기술의 분산 및 분산 기울기가 관리된 케이블에 대한 것이다. SLA 섬유들의 길이들은 실선들(11)로서 도시되었고 IDF 섬유의 쌍 길이들은 점선들(12)로서 도시되었다. 증폭기들은 14로 나타내었다. 전형적으로, 매칭된 섬유들의 쌍들을 사용하여 조립된 케이블들은 전송의 긴 길이들에 걸쳐, 도 3에 도시된 바와 같이, 음의 분산을 누적한다. 누적된 분산을 감소시키기 위해 DCF의 적합한 길이(15)가 주기적 간격들로 삽입되고 필요로 되는 만큼 긴 전송 경로에 대해 시퀀스가 다시 시작한다. 도시된 전송 길이는 많은 섬 간, 또는 근해 애플리케이션들에 적합할 수 있다. 대륙간 케이블들은 도 3에 도시된 케이블의 몇개의 반복들을 가질 것이다.
도 3의 전송 케이블은 대략 100 km의 증폭기 구간들을 갖는 것이 관찰된다. 1000 km의 해저 거리에 걸쳐 확장하기 위해 10개의 증폭기들이 필요하다.
도 3에 도시되지 않았지만, 증폭기 위치들에서 케이블 접합들 외에도, 섬유 길이들(11, 12)이 결합되는 부가적인 섬유 접합들이 있다. 이들 접합점들에서 함께 접합되는 광섬유들은 SLA 광섬유의 길이들이고, IDF 광섬유의 길이들로 접합된다. IDF 광섬유가, 요망되는 대로, 음의 분산 기울기를 갖는 반면, 이것은 상대적으로 작은 유효 면적을 또한 갖는다. 종래의 IDF 광섬유의 명목상의 유효 면적은 근사적으로 30 ㎛2이다. 이것의 한 결과는 IDF 섬유의 길이가 SLA 섬유의 길이로 접합될 때 접합 손실이 전형적으로 0.3 dB로 크다는 것이다. 또한 도 3에 도시되지 않은 IDF 섬유의 길이들 사이에 전형적으로 일어나는 접합들이 있다. 이들은 전형적으로 0.11dB인 상대적으로 큰 접합 손실을 갖는다. 이것은 0.04 dB의 SLA 섬유들 사이의 접합 당 손실과 비교한다. IDF 섬유의 사용에 기인한 접합 손실들의 증가 외에도, IDF 섬유에서 전송 손실(감쇄)도 전형적으로 0.23 dB/km 또는 그 이상으로 상대적으로 크다.
SLA-IDF 쌍에 대한 구간(증폭기들 사이) 당 총 명목상 손실로서, 각 SLA 길이에서 하나의 SLA 대 SLA 접합(0.04 dB), 각 IDF 길이에서 하나의 IDF 대 IDF 접합(0.11 dB), 및 하나의 SLA 대 IDF 접합(0.3 dB)을 가정하고, SLA 섬유에 대해 0.185의 전송 손실 지수와 IDF 섬유에 대해 0.235, 및 분산 기울기가 매칭된 쌍에 대해 34/66의 SLA 대 IDF의 길이들의 비가 주어졌을 때, 구간 당 손실은 다음과 같다:
전송 손실: (66 x 0.185) + (34 x 0.235) = 21.8 dB
접합 손실: 0.04 + 0.11 + 0.3 = 0.45 dB
구간 당 총 손실 = 22.25 dB
지금 논의된 IDF 섬유를 대신한 발명(LALND)의 음-분산 광섬유을 사용한 유사한 해저 케이블 설계가 도 4에 도시되었다. 실선들(21)은 SLA 섬유 길이들을 나 타내고 점선들(22)은 LALND의 길이들을 나타낸다. 이 도면에서, 분산값은 덜 음이어서, SLA 대 LALND의 길이들의 비는 더욱 거의 SLA에 대해 20/14, 또는 SSM에 대해 17/14와 같음이 명백하다. 증폭기들은 24로 나타내었다. 분산 맵은 누적된 분산을 제로 미만으로 스텝(step)하는 쌍 당 음의 분산을 약간 초과함을 나타낸다. 분산 맵의 총 기울기는 SLA 대 LALND의 선택된 길이 비에 의존하는 설계적 선택이다.
낮은 전송 손실 및 LALND 섬유의 사용에 기인하는 낮은 접합 손실의 잇점은 도 4에서 명백하다. 섬유들 사이에 구간 길이가 증가되므로, 1,000 km 당 단지 9개의 증폭기들만이 요구된다. 10,000 km 해저 케이블에서, 이것은 10개의 증폭기들을 절약할 수 있게 하므로 현저한 비용 잇점이 있다.
상기 계산에 대응하는 손실 계산을 이하에 나타낸다. SLA 대 SLA의 접합 손실은 0.04(전과 같이)이다. SLA 대 LALND의 접합 손실은 대략 0.12이다(LALND 섬유의 더 큰 유효 면적 때문에 SLA 대 IDF 접합 손실로부터 감소된다). LALND 대 LALND의 접합 손실은 0.05이다(다시 주로 LALND 광섬유의 큰 유효 면적에 기인하여).
전송 손실은 SLA 길이들에 대해서 0.185 dB/km(전처럼)이고 LALND 길이들에 대해선 0.2 dB/km이다. 분산은 SLA에 대해서 20 ps/nm-km이고 LALND에 대해서 -14 ps/nm-km이다. 낮은 누적 분산(약간 음)을 생성하기 위한 SLA 대 LALND의 길이들의 비는 4 대 3이다. 100 km 당 총 폭 손실은 다음과 같다:
전송 손실: (57 x 0.185) + (43 x 0.2) = 19.1 dB
접합 손실: 0.04 + 0.05 + 0.12 = 0.21 dB
100 km 구간 당 총 손실 = 19.31 dB
이것을 SLA/IDF 조합의 구간 당 22.25 dB 손실과 비교하면 총 손실에서 13% 개선을 보여준다.
상기 비교 검토에서 사용된 예는 SLA 섬유를 사용한 조합이다. 이 섬유는 전형적으로 상대적으로 큰 양의 분산 계수, 즉 18 ps/nm-km 또는 그 이상을 갖는다. 발명의 LALND 섬유가 양의 분산 계수 광섬유와 쌍이 되는 해저 애플리케이션들에 대해서 양의 계수가 적어도 10 ps/nm-km 또는 이보다 큰 것이 바람직하다. 이것은 양 대 음의 분산 계수 섬유의 비가 적어도 1, 또는 1에 가까이 되게 하고, 양의 분산 계수 섬유의 상대적으로 긴 길이들을 사용할 수 있게 하고, 이것은 특별화된 음의 분산 계수 광섬유들보다 큰 유효 면적 및 더 낮은 비용을 갖게 한다. 앞서 지적된 바와 같이, SSMF는 양의 분산 계수 섬유로서 특히 적합하다. 이것은 전형적으로 적어도 16 ps/nm-km의 양의 계수를 갖는다.
전형적인 해저 케이블에서 광섬유들의 수는 넓은 범위에 걸쳐 다양할 수 있다. 긴 하울 링크들에 대해, 케이블은 많은 쌍들의 사용가능한 섬유들을 가질 수 있다. 짧은 하울 애플리케이션들에 있어서는 소수의 쌍들이 전형적일 것이다. 최소의 하나의 사용가능한 쌍 및 하나의 여분의 쌍이 임의의 해저 애플리케이션을 위해 기대될 것이다.
발명의 일부는 아니지만, 기술되고 도시된 증폭기들은 전형적으로 에르븀(erbium)이 도핑된 섬유 증폭기들이다. 다른 선택들이 발견될 수 있다.
본 발명의 다양한 부가적인 수정들이 당업자들에게 일어날 것이다. 기본적으 로 원리들 및 그들의 등가물들을 통해 기술이 진보하게 된 이들에 의존하는 이 명세서의 특정 교시들(teachings)로부터 벗어난 모든 것들은 기술되고 청구된 발명의 범위 내에서 적합하게 고려된다.
도 1은 본 발명의 전송 속성들을 갖는 광섬유들에 대한 굴절률 프로파일들(refractive index profiles)을 도시한 도면.
도 2는 상이한 코어 알파를 갖는 2개의 굴절률 프로파일들을 도시한 도면.
도 3은 많은 쌍들의 양의 분산 SLA 섬유 및 역 분산 섬유 IDF를 도시하는 종래 기술의 해저 케이블 설계에 대한 분산 대 길이의 플롯(plot)을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 음의 분산 계수 섬유와 쌍이 되는 높은 양의 분산 계수 SLA 전송 섬유를 갖는 본 발명의 해저 케이블 설계를 도시하는 도 3과 유사한 플롯을 도시한 도면.

Claims (14)

  1. 유리 코어 및 유리 클래딩(cladding)을 포함하는 광섬유로서, 상기 광섬유는 다음의 전송 속성들:
    분산 계수: -8 내지 -17 ps/nm-km.,
    분산 기울기: +0.03 내지 +0.07 ps/nm2-km.,
    유효 면적: 40 ㎛2 내지 60 ㎛2, 및
    감쇄: 0.205 dB/km 미만을 갖는, 광섬유.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산 계수는 -12 내지 -15 ps/nm-km인, 광섬유.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유효 면적은 40 내지 50 ㎛2인, 광섬유.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 20보다 큰 알파를 가진 스텝 인덱스(step index)를 갖는, 광섬유.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 1 내지 10의 알파를 갖는 그레이드된 인덱스(graded index)를 가진, 광섬유.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 모드 분산은 0.04 ps/km0.5, 또는 더 미만인, 광섬유.
  7. 적어도 2쌍의 광섬유 전송경로들을 포함하는 광섬유 케이블로서, 상기 전송경로들 각각은 하나의 길이의 음의 분산 계수 광섬유에 결합된 하나의 길이의 양의 분산 계수 광섬유를 포함하고, 상기 하나의 길이의 음의 계수 광섬유는 청구항 1의 상기 광섬유를 포함하는, 광섬유 케이블.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 양의 계수 광섬유는 적어도 10 ps/nm-km의 양의 계수를 갖는, 광섬유 케이블.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 양의 계수 광섬유는 적어도 18 ps/nm-km의 양의 계수를 갖는 SLA 섬유인, 광섬유 케이블.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 양의 계수 광섬유는 적어도 16 ps/nm-km의 양의 계수를 갖는 SSMF 섬유인, 광섬유 케이블.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나의 길이의 양의 계수 광섬유 대 상기 하나의 길이의 음의 분산 계수 광섬유의 비는 1 이상인, 광섬유 케이블.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나의 길이의 음의 분산 계수 광섬유에 결합된 상기 하나의 길이의 양의 분산 계수 광섬유는 적어도 80 km의 조합된 길이를 갖는, 광섬유 케이블.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하나의 길이의 음의 분산 계수 광섬유 케이블은 광섬유 증폭기의 입력부에 결합되는, 광섬유 케이블.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 하나의 길이의 양의 분산 계수 광섬유 케이블은 상기 광섬유 증폭기의 출력부에 결합되는, 광섬유 케이블.
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