KR20120019443A - 라만 레이징 애플리케이션들에서 이용하기 위한 필터 섬유 및 이를 제조하기 위한 기법들 - Google Patents

라만 레이징 애플리케이션들에서 이용하기 위한 필터 섬유 및 이를 제조하기 위한 기법들 Download PDF

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Abstract

광 도파관은 파장 동작 범위에 걸쳐, 다중의 스토크스 시프트(Stokes shift)들을 지원하는 유효 면적, 및 파장 동작 범위내의 타겟(target) 파장에서 네거티브 분산값을 섬유에 제공하도록 구성되는 굴절률 변동을 갖는다. 굴절률 변동은 타겟 파장 보다 긴 파장에서의 유한 LP01 컷오프를 섬유에 제공하도록 더 구성되어서, LP01 컷오프 파장은 선택된 벤딩(bending) 직경에 대해, 타겟 파장에서의 매크로벤딩(macrobending) 손실들과 타겟 파장 보다 긴 파장들에서의 매크로벤딩 손실들 사이의 차이를 제공하여, 타겟 파장 보다 긴 파장들에서 라만 산란(Raman scattering)이 방해된다.

Description

라만 레이징 애플리케이션들에서 이용하기 위한 필터 섬유 및 이를 제조하기 위한 기법들{FILTER FIBER FOR USE IN RAMAN LASING APPLICATIONS AND TECHNIQUES FOR MANUFACTURING SAME}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 본 출원의 양수인에 의해 소유되고 참조로 그 전체가 여기에 포함되는 2009년 5월 11일 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제 61/177,058호의 우선권 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 광 섬유 디바이스들 및 방법들에 관한 것으로, 특히, 라만 레이징 애플리케이션(Raman lasing application)들에서 이용하기 위한 개선된 필터 섬유들 및 이러한 섬유들을 설계하고 제조하기 위한 기법들에 관한 것이다.
섬유 레이저들 및 증폭기들은 통상적으로, 이테르븀(Yb), 에르븀(Er), 네오디뮴(Nd)과 같은 레이저-활성 희토류 이온들이 도핑된 광 섬유들에 기초한다. 광 섬유들에서의 시뮬레이션된 라만 산란은 이들 희토류 도핑 섬유들이 동작하지 않는 파장 영역들에서 비선형 이득을 제공하기 위해 이용될 수 있는 유용한 효과이다. 시뮬레이션된 라만 산란은 레이저 빔이 라만-활성 섬유를 통해 전파하여, "스토크스 시프트(Stokes shift)"로서 공지되어 있는 파장에서의 예측가능한 증가를 발생시킬 때 일어난다. 라만-활성 필터의 길이의 입력 및 출력 단부들에서 일련의 파장-특정 반사기 격자들을 제공함으로써, 입력 파장을 선택된 타겟 파장으로 변환하기 위해 일련의 직렬 스토크스 시프트들을 생성하는 것이 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따른 예시적인 시스템(20)의 도면이고, 여기서, 시뮬레이션된 라만 산란이 1550 nm 영역에서 이득을 제공하는 에르븀 도핑 섬유 증폭기(EDFA)를 펌핑하기 위해 1480 nm에서 고-전력 출력(80)을 생성하도록 이용된다. 예시된 바와 같이, 시스템(20)은 2개의 스테이지들: 모놀리식 Yb-섬유 레이저(40) 및 직렬 라만 공진기(CRR)(60)을 포함한다.
레이저(40)에서, 활성 매체가 1000 nm 내지 1200 nm의 영역에서 동작하는 더블-클래드(double-clad) Yb-도핑 섬유(42)의 길이에 의해 제공된다. 고반사기 격자(HR1)가 섬유 입력 단부(44)에 제공되고, 출력 커플러 격자(OC1)가 섬유 출력 단부(46)에 제공된다. 고반사기(HR1)와 출력 커플러(OC1) 사이의 섬유(42)의 부분은 레이저 캐비티(48)로서 기능한다. 펌핑 에너지가 테이퍼드 섬유 번들(tapered fiber bundle(TFB1))에 의해 섬유(42)에 커플링되는 복수의 펌프 다이오드(50)에 의해 섬유(42)에 제공된다. 이 예에서, 레이저(40)는 출력(52)으로서 1117 nm의 파장에서 단일-모드 방사를 제공한다.
레이저 출력은 직렬 라만 공진기(60)를 펌핑하기 위해 이용된다. 공진기(60)는 라만-활성 섬유(62)를 포함한다. 복수의 입력 격자(64)가 섬유의 입력 단부(66)에 제공되고, 복수의 출력 격자(68)가 섬유의 출력 단부(70)에 제공된다. 복수의 입력 격자(64)는 고반사기들(HR2 내지 HR6)을 포함하고, 복수의 출력 격자(68)는 고반사기들(HR7 내지 HR11) 및 출력 커플러(OC2)를 포함한다.
1175 nm로부터 1480nm까지의 범위의 예시적인 파장들이 입력 고반사기들(HR2 내지 HR6), 출력 고반사기들(HR7 내지 HR11), 및 출력 커플러(OC2)에 대해 도시된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 입력 격자들(64) 및 출력 격자들(68)은 각각의 스토크스 시프트에 의해 분리되는, 내포된(nested) 일련의 파장-매칭 쌍들을 포함한다. 입력 격자들(64), 출력 격자들(68), 및 라만 섬유(62)는 내포된 일련의 라만 캐비티들(72)을 포함한다. 도 1이 격자들(64 및 68)을 이용하여 구성된 직렬 라만 공진기(60)를 도시하지만, 유사한 공진기들이 융착 섬유 커플러들과 같은 다른 파장-선택 엘리먼트들, 및 WDM 미러들과 같은 다른 아키텍처들을 이용하여 구성될 수도 있다.
Yb 도핑 섬유 레이저(40)의 1117 nm 출력은 공진기(60)로의 입력으로서 론치되어서, 광범위에 걸친 직렬 연속 스토크스 시프트들을 발생시키고, 이것은 1117 nm 입력으로부터 1480 nm 시스템 출력(80)까지 파장에서 단계적 증가를 발생시킨다. 그 후, 출력(80)의 하나의 애플리케이션이 1530 내지 1590 nm 영역에서 이득을 제공하는 기본 모드에서 고 전력의 실리카계 에르븀-도핑 섬유 증폭기(EDFA)를 펌핑하기 위해 이용될 수 있다.
그러나, 시스템(20)에서, 특정한 양의 라만 산란은 타겟 파장이 달성된 이후에도 계속 발생한다. 따라서, 더 높은 전력에서, 상당한 양의 펌핑 에너지가, 다음의 원치않은 더 높은 차수의 스토크스 시프트로 전달되는 광으로 인해 손실될 수도 있다. 이러한 원치않은 스토크스 시프트는 원하는 출력 주파수에서 획득될 수 있는 전력의 양을 제한한다. 또한, CRR의 출력(80)이 EDFA를 펌핑하기 위해 이용되는 경우에, 원치않은 더 높은 차수의 스토크스 시프트는 EDFA에서 증폭되는 신호 파장들과 잠재적으로 간섭할 수 있다.
종래 기술의 이들 및 다른 문제점들은 그 양태들이 라만 레이징 애플리케이션들에서 이용하기 위한 필터 섬유들 및 이러한 섬유들을 설계하고 제조하는 기법들에 관련되는 본 발명에 의해 다루어진다.
본 발명의 일 실시에 따르면, 광 섬유는 파장 동작 범위에 걸쳐, 그 섬유에 다중의 스토크스 시프트들을 지원하는 유효 면적 및 파장 동작 범위내의 타겟 파장에서 네거티브 분산값(negative dispersion value)을 제공하도록 구성되는 굴절률 변동을 갖는 광 도파관을 포함한다. 굴절률 변동은 또한, 타겟 파장 보다 긴 파장에서 유한 LP01 컷오프(cutoff)를 섬유에 제공하도록 구성되어, LP01 컷오프 파장은 선택된 벤딩 직경(bending diameter)에 대해, 타겟 파장에서의 매크로벤딩 손실들과 타겟 파장 보다 긴 파장에서의 매크로벤딩 손실들 사이의 차이를 제공하여, 라만 산란은 타겟 파장 보다 긴 파장에서 본질적으로 방지된다.
본 발명의 추가의 양태들이 후술된다.
도 1은 종래 기술에 따른 직렬 라만 공진기 시스템의 도면.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 일정한 비율로 도시되지 않은 단면도.
도 3, 도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 본 발명의 양태들에 따른 4개의 예시적인 섬유들에 대해 대략 일정한 비율로 도시된 굴절률 프로파일들을 도시한 도면들.
도 4 및 도 5는 75 nm 및 190 nm의 스풀(spool) 직경에서 각각 평가된, 1480 nm 및 1590 nm에서의 결과적인 매크로벤딩 손실들과 LP01 컷오프 파장 사이의 관계를 예시하는 한 쌍의 그래프들.
도 6은 1590 nm에서 일정한 LP01 컷오프 파장을 발생시키는 W-형 인덱스 프로파일들에서 코어 반경 및 코어 인덱스의 윤곽을 도시하는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 프로토타입(prototype) 필터 섬유에서의 감쇠와 파장 사이의 관계를 예시하는 그래프.
도 8a 내지 도 8c는 4개의 예시적인 섬유 설계들에 대한 사양들을 설명하는 일련의 테이블들.
도 9는 본 발명의 다양한 설명된 양태들에 따른 일반적인 방법의 플로우차트.
이제, 본 발명의 다양한 양태들에 따라, 고 전력 라만 레이징 애플리케이션들에서 이용하기 위한 필터 섬유들, 및 이러한 섬유들을 설계하고 제조하기 위한 기법들의 특정한 예들을 설명한다.
상기 논의된 도 1에 도시된 라만 레이징 시스템(20)은 본 논의에 대한 전후관계를 제공하기 위해 이용된다. 구체적으로는, 본 논의를 위해, 여기에 설명된 기법들에 따라 구성된 필터 섬유가 예를 들면, CRR(60)에서 라만 섬유(62) 대신에 이용될 수도 있다는 것이 고려된다. 이 경우에서, CRR은 적합한 길이의 필터 섬유를 제공하고, 섬유의 입력 및 출력 단부들에서 직렬의 연속 스토크스 시프트들을 생성하기 위해 구성된 파장들을 갖는 입력 및 출력 격자들의 적합한 세트들을 제공함으로써 제조되어서, 원하는 타겟 파장으로의 입력 파장의 단계적 변환을 발생시킨다.
그러나, 현재 설명되는 필터 섬유들 및 기법들이 라만 레이징 시스템 및 구성들에 관하여 실시될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 본 발명은 본 출원의 양수인에 의해 소유되고, 참조로 그 전체가 여기에 포함되는 2009년 5월 11일 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/177,058호에 설명된 임의의 레이징 시스템들, 또는 이들의 변형물들과 함께 실시될 수도 있다.
이하 상세히 논의되는 바와 같이, 본 발명에 따른 필터 섬유는 파장 동작 범위에 걸쳐, 초연속(supercontinuum) 생성없이 다중의 스토크스 시프트들을 허용하도록 구성된다. 이러한 필터 섬유는 더 높은 차수의 스토크스 시프트들을 통한 라만 산란으로부터 발생하는, 타겟 파장을 넘는 파장에 대한 유해한 펌프 에너지 공핍을 방지하도록 구성된다.
이들 원하는 특징들은 아래의 속성들을 포함하도록 필터 섬유를 구성함으로써 달성된다.
(a) 초연속 생성을 회피하기 위해, 그것의 동작 범위 전반의 정상(즉, 네거티브) 분산;
(b) 타겟 파장에서의 작은 유효 면적, 즉, 원하는 전력 레벨에서 파장 동작 범위에 걸쳐 다중의 스토크스 시프트들을 허용하는데 충분히 작은 유효 면적;
(c) 100 미터 이상의 섬유 길이에서 수용할 수 있게 낮은 손실; 및
(d) 타겟 파장 보다 긴 파장에서의 유한 LP01 모드 컷오프, 이에 의해, LP01 컷오프 파장은 선택된 벤딩 직경에 대해, 타겟 파장에서의 매크로벤딩 손실들과 타겟 파장 보다 긴 파장들에서의 매크로벤딩 손실들 사이의 차이를 제공한다.
본 논의는 ps/(nm-km)의 단위를 갖는 분산 파라미터(D)를 이용한다는 것에 유의한다. D의 네거티브 값은 정상 분산을 구성하고, D의 포지티브 값은 비정상 분산을 구성한다. 비정상 분산에서, 변조 불안정성 및 솔리톤(soliton) 형성과 같은 레짐(regime) 현상들이 발생하고, 이들 중 어느 것도 정상 분산 레짐에 존재하지 않는다. 표준 단일-모드 섬유는 1300 nm 주위에서 제로-분산 파장 및 제로-분산 파장 보다 긴 파장들에서 비정상 분산을 갖는다.
본 발명의 실시에 따르면, LP01 컷오프는 타겟 파장을 넘는 1/2 스토크스 주파수 시프트와 1 스토크스 주파수 시프트 사이에 있는 파장에 있어서, 소정의 스풀 직경(예를 들면, 75 mm, 190 mm)에 대해, 선택된 LP01 모드 컷오프는 타겟 파장에서의 매크로벤딩 손실들(예를 들면, 0.01 dB/km 보다 작음)과 제 1 스토크스 시프트에서의 매크로벤딩 손실들(예를 들면, 300 dB/km 보다 큼) 사이의 큰 차이를 발생시킨다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 이들 섬유 속성들은 W-형 굴절률 프로파일의 이용을 통해 달성된다. 여기에 설명하는 바와 같이, 본 발명의 양태들은 다른 굴절률 프로파일 형상들 및 다른 굴절률 변동들을 이용하여 실시가능하다는 것이 이해될 것이다.
LP01 모드가 선택된 컷오프 파장 상으로 가이드될 수 없는 W-형 필터 섬유들이 S-대역 에르븀-도핑 섬유 증폭기(EDFA) 애플리케이션들에 대해 이용되었다. W-형 필터 섬유들은 또한, 고 전력 Yb 섬유 증폭기들에서 라만 산란을 억제하기 위해 이용되었다. 이들 이전의 애플리케이션들 어느 쪽에서도, 광파장 이상의 필터 섬유의 분산이 중요한 고려사항에 이르지 않는다.
라만 레이징 애플리케이션은 개별 주파수들에서 라만 이득을 요구한다. 그러나, 충분하게 높은 전력이 비정상 분산을 갖는 섬유로 론치할 때, 개별 주파수들에서의 라만 이득 대신에, 초연속 생성이 변조 불안정성으로 인해 발생할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 섬유는 파장 동작 범위 이상에서 정상 분산을 나타내도록 구성된다.
소정의 섬유에서의 라만 이득이 펌프 전력 강도와 관련되기 때문에, 라만 이득은 섬유의 모달 유효 면적에 반비례한다. 따라서, 본 발명에 따른 섬유는 작은 유효 면적을 갖도록 구성된다. 그러나, 라만 레이저들에서의 섬유 길이들이 10 미터 이상 정도되는 경향이 있기 때문에, 섬유의 전력 손실이 또한 중요한 역할을 한다.
따라서, 본 발명에 따른 필터 섬유는 작은 유효 면적, 낮은 손실, 및 정상 분산을 갖는 섬유를 제공하여 원하는 타겟 파장에 대한 라만 산란을 용이하게 하기 위해 이전의 필터 섬유들과는 현저하게 다르게 구성된다. 섬유는 원하는 타겟 파장 보다 긴 파장들에서 라만 산란을 방해하기 위해 LP01 모드 컷오프의 필터링 특성을 이용한다.
이제, 상기 속성들을 갖도록 구성되는 필터 섬유들을 설계하는 특정한 기법들이 설명된다. 본 논의를 위해, 원하는 타겟 파장이 1480 nm이고, 1480 nm 이후의 제 1 스토크스 시프트가 1590 nm이다는 것이 가정된다. 그러나, 설명된 섬유들 및 기법들이 다른 파장들에서 이용하도록 구성될 수도 있다는 것이 본 설명으로부터 명백할 것이다.
도 2는 본 발명의 제 1 양태에 따른 섬유(100)의 예의 일정한 비율로 도시하지 않은 단면도를 도시한다. 섬유(100)는 복수의 개별 동심 영역들:
외부 반경(r1) 및 굴절률(n1)을 갖는 코어(101);
외부 반경(r2) 및 굴절률(n2)을 갖는, 코어(101)를 둘러싸는 내부 클래딩(103); 및
외부 반경(r0) 및 굴절률(n0)을 갖는, 내부 클래딩(103)을 둘러싸는 외부 클래딩(105)을 생성하기 위해 화학적으로 도핑된 실리카(SiO2), 또는 다른 적합한 재료로부터 제조된 광 도파관을 포함한다.
또한, 코어-내부 클래딩 경계(102), 및 내부 클래딩-외부 클래딩 경계(104)가 도 2에 도시되어 있다.
섬유 영역들 각각은 레퍼런스 값으로서 외부 클래딩 굴절률(n0)을 이용하여 결정되는 각각의 "굴절률차"(
Figure pct00001
)를 갖고,
외부 클래딩(105)에 대해,
Figure pct00002
이고;
코어(101)에 대해,
Figure pct00003
이며;
내부 클래딩(103)에 대해,
Figure pct00004
이다.
도 3은 본 발명의 양태들에 따른 제 1 예시적인 섬유에 대한, 대략 일정한 비율로 도시한 굴절률 프로파일(RIP)(120)이다. RIP(120)는 섬유 영역들(101, 103, 105)에 대한 각각의 외부 반경(r0-r2) 및 굴절률차(
Figure pct00005
)를 그래픽 형태로 예시한다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, RIP(120)는 통상적으로 W-형 프로파일이라 지칭된다. 이것은 상대적으로 좁은 외부 반경(r1) 및 상대적으로 큰 포지티브 굴절률차(
Figure pct00006
)를 갖는 코어(101)에 대응하는 중앙 스파이크(spike)(121)를 포함한다. 중앙 스파이크(121)는 코어 외부 반경(r1)에 비해 상대적으로 큰 외부 반경(r2)을 갖고, (
Figure pct00007
에 대한) 상대적으로 작은 네거티브 굴절률차(
Figure pct00008
)를 갖는 내부 클래딩(103)에 대응하는 트렌치(123)에 의해 둘러싸인다. 트렌치(123)는 외부 반경((r0) 및 굴절률차(
Figure pct00009
)를 갖는 외부 클래딩(105)에 대응하는 상대적으로 편평한 외부 영역(125)에 의해 둘러싸인다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 양태들에 따른 섬유들의 제 2 및 제 3 예들의 대략 일정한 비율로 도시된 굴절률 프로파일들(120' 및 120")을 도시한다. RIP들(120' 및 120') 양자는 중앙 피크(121'/121"), 트렌치(123'/123") 및 외부 클래딩(125'/125")을 포함하는 W-형이고, 원하는 필터링 효과를 달성하는
Figure pct00010
Figure pct00011
및
Figure pct00012
에 대한 각각의 값들을 갖는다.
이제, 소정의 타겟 파장에 대한 적합한 굴절률 프로파일에 도달하는 기법들이 설명된다.
여기에 설명된 라만 필터 섬유 설계들에서, 펌프 에너지는 타겟 파장에서 이득을 제공하고, 타겟 파장을 넘는 더 높은 차수의 스토크스 산란에 의해 감소되지 않는다. 본 논의를 위해, 원하는 타겟 파장이 1480 nm이고, 1480 nm 이후의 제 1 스토크스 시프트가 1590 nm이다는 것이 가정된다. 그러나, 설명된 섬유들 및 기법들이 다른 파장들에서 이용하도록 구성될 수도 있다는 것이 본 설명으로부터 명백할 것이다.
본 발명에 따른 필터 섬유는 제 1 스토크스 시프트 파장, 즉, 1590 nm에서의 매크로벤딩 손실들에 비하여, 타겟 파장, 즉, 1480 nm에서의 매크로벤딩 손실에서 상당한 차이를 제공하도록 구성된다. 현재 설명된 라만 필터링 애플리케이션은 이러한 감쇠 차이를 이용한다.
이용중에, 라만 섬유는 통상적으로 알려진 직경을 갖는 스풀에 감긴다. 따라서, 통상의 라만 레이징 애플리케이션에서, 라만 섬유는 알려진 직경들에서 매크로벤딩 손실들에 영향을 받는다.
도 4 및 도 5는 스풀 직경 75 mm(도 4) 및 190 mm(도 5)에서 각각 평가된, LP01 컷오프 파장과 1480 nm 및 1590 nm에서의 결과적인 매크로벤딩 손실들 사이의 관계를 예시하는 그래프들(140 및 150)의 쌍이다.
도 4에 도시된 그래프(140)는, LP01 컷오프 파장이 1540 nm와 1610 nm 사이에 있을 때, 75 mm 직경의 스풀에 감긴 라만 섬유가 1480 nm에서 0.01 dB/km 보다 작은 매크로벤딩 손실 및 1590 nm에서 100 dB/km 보다 큰 매크로벤딩 손실을 갖는 것으로 예상된다는 것을 도시한다. 유사하게는, 도 5에 도시된 그래프(150)는, LP01 컷오프 파장이 1510 nm와 1590 nm 사이에 있을 때, 190 mm 직경의 스풀에 감긴 라만 섬유가 1480 nm에서 0.01 dB/km 보다 작은 매크로벤딩 손실 및 1590 nm에서 100 dB/km 보다 큰 매크로벤딩 손실을 갖는 것으로 예상된다는 것을 도시한다. 타겟 파장과 스토크스 파장 사이의 감쇠에서의 도시된 104 자릿수 차는 상당한 필터링 효과를 제공하여 더 높은 차수의 라만 산란을 방해한다. 본 발명의 실시에 따르면, 다음의 스토크스 차수에서의 전력은 출력 파장 보다 20 dB 낮은 이전의 스토크스 차수보다 작거나 그에 필적한다.
도 6은 1590 nm에서 일정한 LP01 컷오프 파장을 발생시키는 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같은 W-형 인덱스 프로파일들에서 코어 반경과 코어 인덱스의 윤곽을 도시하는 그래프(160)이다. 이들 W-형 설계들에서, 코어는 0.008
Figure pct00013
인덱스차 및 12㎛ 외부 반경을 갖는 트렌치 영역에 의해 둘러싸인다. 트렌치 영역은 도핑되지 않은 실리카에 의해 더 둘러싸인다. 도 6은 또한, 1590 nm LP01 컷오프 파장을 산출하는 섬유 설계들에 대해 우측 수직축상에 도시된 스케일로 1480 nm에서의 색 분산을 도시한다. 1480 nm에서의 유효 면적이 또한 도시된다. 이러한 도면은 상기 속성들을 갖도록 이러한 W-형 인덱스 프로파일들에서 코어 반경 및 코어 인덱스와 관련하여 설계 공간을 식별한다. 이들 설계들이 1590 nm에서의 스토크스 파장과 함께 1480 nm에서의 타겟 파장에 대해 이루어졌지만, 유사한 설계들이 다른 타겟 파장들에서의 애플리케이션들에 대해 이루질 수 있다. 75 mm 스풀 직경에서, 이들 설계들은 1480 nm에서 0.01 dB/km 보다 작고 1590 nm에서 300 dB/km 보다 큰 매크로벤딩 손실을 나타낸다.
다른 트렌치 반경 및 트렌치 인덱스가 W-형 필터 섬유 설계들을 위해 이용될 수 있다. 일반적으로, 더 작은 외부 트렌치 반경 및 더 작은 트렌치 인덱스 크기는, 유효 면적 및 매크로벤딩 손실 양자를 증가시킨다. 아래의 테이블은 동일한 1590 nm LP01 컷오프를 유지하면서 상이한 트렌치 인덱스 및 트렌치 외부 반경을 갖는 설계들에서의 특성들의 비교를 나타낸다. 190 mm의 더 큰 스풀 직경을 이용함으로써, 라만 필터 섬유는 1.48 ㎛에서 바람직한 네거티브 분산 및 낮은 벤드 손실을 유지하면서 더 큰 유효 면적을 가질 수 있다. 또한, 섬유 감쇠를 일반적으로 감소시키는 더 작은 코어 인덱스를 갖는 설계들을 선택하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 프로토타입 필터 섬유 설계에서 감쇠와 파장 사이의 관계를 예시하는 그래프(170)이다. 다수의 상이한 외부 클래딩 직경들: 120 ㎛(곡선 171); 121 ㎛(곡선 172); 122㎛(곡선 173); 125㎛(곡선 174); 130 ㎛(곡선 175) 및 140 ㎛(곡선 176)에 대해 실험적 데이터가 생성된다. 이들 섬유들은 동일한 프리폼(preform)으로부터 드로잉되기 때문에, 그들의 코어 직경들은 클래딩 직경들에 비례하고, 예를 들면, 140 ㎛ 클래드 직경 섬유에서의 코어 직경은 120 ㎛ 클래드 직경 섬유에서 보다 약 16.7% 크다. 곡선들(171-176)은 설명된 필터링 효과: 필터 섬유가 컷오프 파장 아래의 낮은 감쇠를 갖고, 컷오프 파장 이상의 높은 감쇠를 갖는다는 것을 예시한다. 곡선들(171-176)은 외부 클래딩 직경이 원하는 컷오프 파장을 갖는 필터 섬유를 설계하는데 있어서 고려될 추가의 파라미터이다는 것을 더 예시한다. 예를 들면, 외부 클래딩 직경을 변형하는 것은 컷오프 파장에 대한 미세 조정을 행하기 위해 설계 프로세스의 종단쪽에서 이용될 수도 있다.
도 8a 내지 도 8c는 도 3, 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 관하여 상기 논의된 4개의 예시적인 섬유들의 사양들 및 측정된 성능을 설명하는 일련의 테이블들(180 내지 182)이다. 도 8a에 설명된 테이블(180)은 섬유 1(도 3), 섬유 2(도 3a), 섬유 3(도 3b), 및 섬유 4(도 3c)에 대해 아래의 상세를 설명한다.
(a) 코어 반경 r1 (㎛);
(b) 코어 굴절률차(
Figure pct00014
);
(c) 트렌치 반경 r2 (㎛);
(d) 트렌치 굴절률차(
Figure pct00015
);
(e) LP01 컷오프 파장 (nm);
(f) 1480 nm에서의 분산 (ps/nm/km);
(g) 1480 nm에서의 유효 면적 Aeff (㎛2)
도 8b에 설명된 테이블(181)은 75 mm의 벤딩 반경에서 1480 nm 및 1590 nm에서의 4개의 섬유들에 대한 벤딩 손실을 설명한다. 도 8c에 설명된 테이블(182)은 190 mm의 벤딩 반경에서 1480 nm 및 1590 nm에서의 4개의 섬유들에 대한 벤딩 손실을 설명한다. 테이블들(181 및 182)에 나타낸 바와 같이, 설명된 섬유 설계는 1480 nm에서의 벤딩 손실 및 1590 nm에서의 벤딩 손실에서 현저한 차이를 발생시키고, 1 스토크스 시프트는 타겟 파장을 넘는다.
도 9는 여기에 설명된 본 발명의 다양한 양태들에 따라 필터 섬유를 설계하는 일반적 방법(200)을 설명하는 플로우차트이다. 이 방법은 아래의 컴포넌트들을 포함한다.
박스 201 : 파장 동작 범위에 걸쳐, 다중의 스토크스 시프트들을 지원하는 유효 면적, 및 파장 동작 범위내의 타겟 파장에서 네거티브 분산 값을 섬유에 제공하도록 구성되는 굴절률 변동을 갖는 광 도파관을 제공한다.
박스 202 : 타겟 파장 보다 긴 파장에서 유한 LP01 컷오프를 섬유에 제공하도록 섬유를 구성하여, LP01 컷오프 파장은 선택된 벤딩 직경에 대해, 타겟 파장에서의 매크로벤딩 손실들과 타겟 파장 보다 긴 파장들에서의 매크로벤딩 손실들 사이의 차이를 제공한다.
박스 203 : 이에 의해, 라만 산란이 타겟 파장 보다 긴 파장들에서 방해된다.
상술한 설명이 당업자가 본 발명의 실시할 수 있게 하는 상세들을 포함하지만, 이 설명은 본질적으로 예시적이고, 다수의 변형물 및 변경물이 이들 교시의 이점을 갖는 당업자에게는 명백할 것이라는 것이 인식되어야 한다. 따라서, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해서만 정의되고, 청구범위는 종래 기술에 의해 허용되는 만큼 넓게 해석되는 것으로 의도된다.
100: 섬유 101: 코어
102: 코어-내부 클래딩 경계 103: 내부 클래딩
104: 내부 클래딩-외부 클래딩 경계 105: 외부 클래딩

Claims (25)

  1. 광 섬유에 있어서:
    파장 동작 범위에 걸쳐, 다중의 스토크스 시프트(Stokes shift)들을 지원하는 유효 면적, 및 상기 파장 동작 범위내의 타겟(target) 파장에서 네거티브 분산값을 상기 광 섬유에 제공하도록 구성되는 굴절률 변동을 갖는 광 도파관을 포함하고,
    상기 굴절률 변동은 상기 타겟 파장 보다 긴 파장에서의 유한 LP01 컷오프를 상기 광 섬유에 제공하도록 더 구성되어서, 상기 LP01 컷오프 파장은 선택된 벤딩(bending) 직경에 대해, 상기 타겟 파장에서의 매크로벤딩(macrobending) 손실들과 상기 타겟 파장 보다 긴 파장들에서의 매크로벤딩 손실들 사이의 차이를 제공하고,
    상기 타겟 파장 보다 긴 파장들에서 라만 산란(Raman scattering)이 방해되는, 광 섬유.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변동은 방위각 인덱스 변동을 포함하는, 광 섬유.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변동은 방사 인덱스 변동을 포함하는, 광 섬유.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 도파관은 코어(core), 상기 코어를 둘러싸는 내부 클래딩(cladding), 및 상기 내부 클래딩을 둘러싸는 외부 클래딩을 포함하는 복수의 동심 영역을 포함하고, 섬유 영역들 각각은 각각의 외부 반경 및 각각의 굴절률차를 갖는, 광 섬유.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 벤딩 직경에 대해, 상기 타겟 파장에서의 상기 매크로벤딩 손실들은 0.01 dB/km 보다 작고, 상기 타겟 파장을 넘는 1 스토크스 시프트에서의 상기 매크로벤딩 손실들은 300 dB/km 보다 큰, 광 섬유.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 선택된 벤딩 직경은 필터 섬유가 감긴 섬유 스풀(spool)의 직경에 대응하는, 광 섬유.
  7. 제 5 항에 있어서,
    굴절률 프로파일은 섬유 코어에 대응하는 중앙 스파이크(spike) 및 내부 클래딩에 대응하는 트렌치(trench)를 갖고, 상기 중앙 스파이크는 포지티브 굴절률차를 갖고 상기 트렌치는 네거티브 굴절률차를 갖는, 광 섬유.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 외부 클래딩은 외부 반경(r0), 굴절률(n0), 및 굴절률차(
    Figure pct00016
    )를 갖고,
    상기 코어는 외부 반경(r1), 굴절률(n1), 및 굴절률차(
    Figure pct00017
    )를 가지며,
    상기 내부 클래딩은 외부 반경(r2), 굴절률(n2), 및 굴절률차(
    Figure pct00018
    )를 갖는, 광 섬유.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 타겟 파장은 1480 nm이고, 상기 광 섬유는 1590 nm에서 제 1 스토크스 시프트 및 1590 nm에서 LP01 컷오프 파장을 갖고,
    Figure pct00019
    의 ±10 퍼센트인, 광 섬유.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 타겟 파장은 1480 nm이고, 상기 광 섬유는 1590 nm에서 제 1 스토크스 시프트 및 1590 nm에서 LP01 컷오프 파장을 갖고,
    Figure pct00020
    의 ±10 페센트인, 광 섬유.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 타겟 파장은 1480 nm이고, 상기 광 섬유는 1590 nm에서 제 1 스토크스 시프트 및 1590 nm에서 LP01 컷오프 파장을 갖고,
    Figure pct00021
    의 ±10 페센트인, 광 섬유.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 타겟 파장은 1480 nm이고, 상기 광 섬유는 1590 nm에서 제 1 스토크스 시프트 및 1590 nm에서 LP01 컷오프 파장을 갖고,
    Figure pct00022
    의 ±10 페센트인, 광 섬유.
  13. 제 1 항에 기재된 광 섬유를 포함하는, 라만 증폭기.
  14. 제 1 항에 기재된 광 섬유를 포함하는, 직렬 라만 공진기.
  15. 필터 섬유를 제조하기 위한 방법에 있어서:
    파장 동작 범위에 걸쳐, 다중의 스토크스 시프트(Stokes shift)들을 지원하는 유효 면적, 및 상기 파장 동작 범위내의 타겟(target) 파장에서 네거티브 분산값을 상기 필터 섬유에 제공하도록 구성되는 굴절률 변동을 갖는 광 도파관을 제조하는 단계;
    상기 타겟 파장 보다 긴 파장에서의 유한 LP01 컷오프를 상기 필터 섬유에 제공하는 굴절률 인덱스 변동을 갖도록 상기 필터 섬유를 구성하는 단계로서, 상기 LP01 컷오프 파장은 선택된 벤딩(bending) 직경에 대해, 상기 타겟 파장에서의 매크로벤딩(macrobending) 손실들과 상기 타겟 파장 보다 긴 파장들에서의 매크로벤딩 손실들 사이의 차이를 제공하여, 상기 타겟 파장 보다 긴 파장들에서 라만 산란(Raman scattering)이 방해되는, 상기 필터 섬유를 구성하는 단계를 포함하는, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    방위각 인덱스 변동을 포함하는 굴절률 변동을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    방사 인덱스 변동을 포함하는 굴절률 변동을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    코어(core), 상기 코어를 둘러싸는 내부 클래딩(cladding), 및 상기 내부 클래딩을 둘러싸는 외부 클래딩을 포함하는 복수의 동심 영역을 포함하는 광 도파관을 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 섬유 영역들 각각은 각각의 외부 반경 및 각각의 굴절률차를 갖는, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 선택된 벤딩 직경에 대해, 상기 타겟 파장에서의 상기 매크로벤딩 손실들은 0.01 dB/km 보다 작고, 상기 타겟 파장을 넘는 1 스토크스 시프트에서의 상기 매크로벤딩 손실들은 300 dB/km 보다 큰, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 선택된 벤딩 직경은 상기 필터 섬유가 감긴 섬유 스풀(spool)의 직경에 대응하는, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    굴절률 프로파일은 섬유 코어에 대응하는 중앙 스파이크(spike) 및 내부 클래딩에 대응하는 트렌치(trench)를 갖고, 상기 중앙 스파이크는 포지티브 굴절률차를 갖고 상기 트렌치는 네거티브 굴절률차를 갖는, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 외부 클래딩은 외부 반경(r0), 굴절률(n0), 및 굴절률차(
    Figure pct00023
    )를 갖고,
    상기 코어는 외부 반경(r1), 굴절률(n1), 및 굴절률차(
    Figure pct00024
    )를 가지며,
    상기 내부 클래딩은 외부 반경(r2), 굴절률(n2), 및 굴절률차(
    Figure pct00025
    )를 갖는, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 타겟 파장은 1480 nm이고, 광 섬유는 1590 nm에서 제 1 스토크스 시프트 및 1590 nm에서 LP01 컷오프 파장을 갖고,
    Figure pct00026
    의 ±10 페센트인, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 타겟 파장은 1480 nm이고, 광 섬유는 1590 nm에서 제 1 스토크스 시프트 및 1590 nm에서 LP01 컷오프 파장을 갖고,
    Figure pct00027
    의 ±10 페센트인, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 타겟 파장은 1480 nm이고, 광 섬유는 1590 nm에서 제 1 스토크스 시프트 및 1590 nm에서 LP01 컷오프 파장을 갖고,
    Figure pct00028
    의 ±10 페센트인, 필터 섬유를 제조하기 위한 방법.
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