KR20130121008A

KR20130121008A - 광섬유

Info

Publication number: KR20130121008A
Application number: KR1020130022170A
Authority: KR
Inventors: 히로시 오야마다
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-11-05
Also published as: KR101436723B1; EP2657733B1; US8837891B2; JP5945516B2; EP2657733A1; CN103376504A; CN103376504B; JP2013242545A; US20130287352A1

Abstract

<과제> MFD를 8~10㎛ 전후로 확대하면서도 휨 특성이 뛰어난 트렌치형 굴절률 분포 형상을 가지는 광섬유를 제공한다.
<해결 수단> 제1 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ1, 제2 코어의 평탄부의 비굴절률차가 Δ2, 제3 코어의 비굴절률차의 최소치가 Δ3이며, 제2 코어의 비굴절률차의 최대치 Δ2max가 Δ2max=(Δ1)/2이며, 제2 코어의 비굴절률차의 최소치 Δ2min이 Δ2min=(Δ3)/2이며, 제1 코어의 Δ1에 대한 반값 반경폭이 a이며, 제3 코어의 Δ3의 반값 반경폭에 대한 제2 코어와 제3 코어의 경계의 반경이 b이며, 제3 코어와 클래드의 경계의 반경이 c이며, 0.30%≤Δ1≤0.45%, -0.05%≤Δ2≤0.05%, -0.35% Δ3≤-0.15%, 2.5≤b/a, 3.5㎛≤a≤4.2㎛, 9㎛≤b≤13㎛, 4.5㎛≤c-b≤7.0㎛를 만족하고, 영분산 파장이 1300㎚ 이상이고 1324㎚ 이하이며, 직경 10㎜의 맨드렐에 광섬유를 감았을 때의 파장 1550㎚에 있어서의 손실 증가가 0.2dB/Turn 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유{OPTICAL FIBER}

본 발명은 광통신용의 광섬유와 관련된 것으로, 특히 휨을 주어도 전반광(傳搬光)의 전송 손실이 작은 광섬유에 관한 것이다.

전화국과 각 사용자 가정과의 사이의 통신에 광섬유가 사용되는 FTTH(Fiber To The Home) 등의 액세스계의 통신에 있어서는, 광섬유가 곡률 수십㎜~수㎜의 휨을 받을 가능성이 지적되고 있다. 이 때문에 이와 같은 FTTH나 댁내 배선에서 이용되는 광섬유에는 휨에 대한 전송 손실이 작은 것이 요구된다.

이것은 장거리 간선 케이블이 지하 덕트(duct) 등 외력의 영향을 받기 어려운 장소에 부설되기 때문에, 광섬유 본체에 가해지는 휨(bending)은 단말 용기 내의 직경 60㎜의 많아야 100회의 권회가 상정되는 것에 지나지 않는데 반해, 댁내외 배선에서는 가요성을 갖게 하고 경량화하기 위해서, 비교적 직경 수㎜의 가는 코드 상태로 배선되기 때문에, 외력의 영향을 받기 쉽고, 광섬유가 받는 휨 반경도 수십㎜ 이하가 될 가능성이 높기 때문이다.

원래 광섬유에서는 신호광이 광섬유의 코어를 따라 전반하기 때문에, 광섬유를 휜 상태에서도 전송 가능한 특징이 있지만, 그 휨 반경이 작아짐에 따라 다 전반되지 않고, 코어로부터 누설되는 광의 비율이 지수함수적으로 증대하여 전송 손실을 일으킨다. 이것이 휨 손실이다. 휨 손실을 저감하기 위해서는, 코어의 굴절률을 높여 광을 보다 코어에 집약시키는 것이 효과적이며, MFD를 작게 함으로써 개선 가능하다. 이 때문에 종래에는 약 6~8㎛의 MFD의 광섬유가 이용되는 일이 많고, 이렇게 함으로써, 예를 들면, 직경 20㎜의 맨드렐(mandrel)(원통)에 광섬유를 감았을 때의 휨 손실이 파장 1550㎚에 있어서 0.5dB/Turn 이하를 실현하고 있다.

그런데, 장거리계의 광통신에 있어서 일반적으로 이용되고 있는 ITU-TG.652 규격의 광섬유의 MFD는 8~10㎛ 정도이기 때문에, 양자를 접속하는 경우에 MFD의 차에 의한 접속 손실이 커져 버린다고 하는 문제가 있다. 이 때문에 액세스계의 광섬유의 MFD도 8~10㎛ 정도로 커지는 것이 바람직하다.

특허 문헌 1에 의하면, MFD를 크게 설계하면서 휨 손실을 저감할 수 있는 트렌치형(trench type) 광섬유가 개시되어 있다. 이것은 옛부터 알려진 공지 기술이지만 근년에 그 우수한 휨 손실 특성이 주목되고 있다.

석영계 유리 광섬유의 경우, 코어(core)에는 게르마늄을 도프(dope)하여 굴절률을 높게 하고, 트렌치 부분에는 F를 도프하여 굴절률이 내려져 있다. 그 외의 내측 및 외측 클래드(clad)에는 순석영 또는 게르마늄이나 불소를 소량 도프할 뿐에 그쳐 굴절률을 석영 레벨에 접근시키고 있다.

일반적인 광섬유 모재의 제조 방법인 VAD법으로 제작하는 경우, (1) 코어(=제1 코어) 및 내측 클래드(=제2 코어)를 제작하고, 코어/클래드 유리 중간체(=중간체)로 한다. 다음에, (2) 트렌치부(=제3 코어)를 형성한다. 이 트렌치부는 유리 수트(soot) 미립자를 중간체의 외측에 주의 깊게 내뿜고, 불소 함유 가스 분위기 중에서 열처리함으로써 형성된다. 마지막으로 (3) 외측 굴절률체를 형성한다.

이 때에 유리 수트 미립자를 내뿜은 중간체를, 분위기 가스로서 SiF₄, CF₄ 등의 불소 함유 가스를 헬륨 등의 불활성 가스에 동반하여 공급하고, 1300℃ 전후로 가열하여 트렌치부에 불소를 도프한다. 불소의 도프 농도는 분위기 가스 중의 불소 함유 가스 분압의 약 0.25승에 비례하여 증대하는 것이 알려져 있고, 도프 농도가 높아지는 만큼, 불소 함유 가스의 분압을 늘리지 않으면 안 된다. 예를 들면, 트렌치부의 비굴절률차(Δ)를 -0.6%로 하는데는 대체로 0.7기압 정도의 SiF₄ 분압이 필요하고, 불소 함유 가스를 대량으로 소비한다고 하는 문제가 있었다.

또, 트렌치형의 굴절률 분포의 경우, 트렌치의 내측의 부분을 광의 고차 모드가 전반하기 쉬워 컷오프 파장이 커지는 경향이 있다. 이 때문에 코어 직경을 작게 하는 등의 설계상의 궁리가 필요하였다. 그런데, 이와 같이 하여 코어직경을 작게 설계한 경우, 영분산 파장이 장파장측으로 이동한다고 하는 문제가 생긴다. 영분산 파장이란 파장 분산이 영(zero)으로 되는 파장이며, 파장 분산의 절대치가 크면 광신호의 펄스가 퍼지는 등에 의해 장거리 전송 품질이 저하한다.

장거리계와 액세스계에 서로 다른 광섬유를 이용하는 것이 아니라, 액세스계에 이용하는 광섬유를 그대로 장거리계에도 원용하고 싶다고 하는 시장 요구가 있다. 이 경우, 영분산 파장이 일반적인 싱글(single) 모드 광섬유의 전송 광파장인 1.31㎛ 전후로 되어 있는 것이 바람직하고, 1.300~1.324㎛의 범위로 되어 있는 것이 보다 바람직하다.

미국 특허 4,852,968 : William A. Reed, “OPTICAL FIBER COMPRISING A REFRACTIVE INDEX TRENCH ”

상기 사정을 감안하여, 본 발명은, MFD를 8~10㎛ 전후로 확대하면서도 휨 특성이 뛰어난 트렌치형 굴절률 분포 형상을 가지는 광섬유를 제공하는 것을 목적으로 하고, 트렌치부에 불소를 도프 할 때에 사용하는 불소 함유 가스 소비량을 줄여도 휨 특성이 뛰어난 광섬유를 제공하는 것을 목적으로 하고, 또한 영분산 파장을 일반적인 싱글 모드 광섬유와 동등의 1300~1324㎚의 범위로 설계한 광섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 광섬유는, 중심부에 제1 코어, 제1 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제2 코어, 제2 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제3 코어, 및 제3 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 클래드로 이루어지고, 이 클래드의 굴절률을 기준으로 했을 때의 제1 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ1이며, 제2 코어의 평탄부의 비굴절률차가 Δ2이며, 제3 코어의 비굴절률차의 최소치가 Δ3이며, 상기 제2 코어의 비굴절률차의 최대치 Δ2max가 Δ2max=(Δ1)/2이며, 상기 제2 코어의 비굴절률차의 최소치 Δ2min이 Δ2min=(Δ3)/2이며, 제1 코어의 Δ1에 대한 반값 반경폭이 a이며, 제3 코어의 상기 Δ3의 반값 반경폭에 대한 제2 코어와 제3 코어의 경계의 반경이 b이며, 제3 코어와 클래드의 경계의 반경이 c이며,

0.30%≤Δ1≤0.45%,

-0.05%≤Δ2≤0.05%,

-0.35%≤Δ3≤-0.15%,

2.5≤b/a,

3.5㎛≤a≤4.2㎛,

9㎛≤b≤13㎛

4.5㎛≤c-b≤7.0㎛

를 만족하고, 영분산 파장이 1300㎚ 이상이고 1324㎚ 이하이며, 직경 10㎜의 맨드렐에 광섬유를 감았을 때의 파장 1550㎚에 있어서의 손실 증가가 0.2dB/Turn 이하인 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 광섬유는, 파장 1310㎚에 있어서의 LP01 모드의 모드 필드 직경이 8.2㎛ 이상이고 10.0㎛ 이하이다. 또, ITU-T G.650 규격에 정해진 22m의 광섬유에서 측정하는 케이블 컷오프 파장은 1260㎚ 이하이다. 또한, 상기 b가 1310㎚에 있어서의 모드 필드 직경의 1.21배 이상이다. 또, 파장 1383㎚에 있어서의 전송 손실이 0.35dB/㎞ 이하로 된다.

본 발명의 광섬유에 의하면, 트렌치 부분의 불소 도프량을 억제하면서, 그 폭을 조정함으로써, 고차 모드의 전반을 억제하고, 또한 컷오프 파장의 증대를 억제함으로써, 영분산 파장을 1.324㎛ 이하로 하는 것이 가능하게 된다. 또, 트렌치의 계면 위치를 코어 중심으로부터 적당히 멀리함으로써, OH 불순물이 적고, 휨 특성도 뛰어난 광섬유가 얻어지는 등의 뛰어난 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 광섬유의 굴절률 분포의 구조 파라미터(parameter)를 나타내는 모식도이다.
도 2는 실시예 1에서 제작한 광섬유의 굴절률 분포를 나타내는 개략도이다.

본 발명의 광섬유는 굴절률 분포를 트렌치형으로 함으로써 MFD를 크게 하면서 휨에 의한 전송 손실을 저감하고 있다. 특히, -0.35%≤Δ3≤-0.15%로 설정하면서, 4.5㎛≤c-b≤7.0㎛로 함으로써, 불소의 도프량을 억제하고, 불소 함유 가스의 사용량을 저감하고 있다. 동시에 트렌치보다 내측의 고차 모드의 전반을 억제하고, 컷오프(cut off) 파장의 증대를 억제함으로써, 영분산 파장을 1300㎚ 이상이고 1.324㎛ 이하로 하는 것이 가능하게 된다. 또, 3.5㎛≤a≤4.2㎛ 및 9㎛≤b≤13㎛로 하고, 또한 b/a≥2.5로 함으로써, 트렌치의 계면 위치 b를 코어 중심으로부터 적당히 멀리할 수가 있고, 계면 부근에 혼입하기 쉬운 OH기의 영향을 저감할 수 있고, 1383㎚ 부근의 전송 손실을 0.35dB/㎞ 이하로 저감할 수가 있고, 또한 직경 10㎜의 맨드렐에 광섬유를 감았을 때의 파장 1550㎚에 있어서의 손실 증가를 0.2dB/Turn 이하로 할 수가 있다.

<실시예>

VAD법에 의해 제1 코어 및 제2 코어로 이루어지는 다공질 유리 모재를 일체 합성하였다. 제1 코어에는 굴절률을 상승시키기 위한 게르마늄을 도프하였다. 이 다공질 유리 모재를 염소 분위기 가스 중에서 약 1200℃로 가열하고, 포함되는 수산기(-OH기)의 제거를 행하고, 계속해서 헬륨 분위기 가스 중에서 약 1600℃로 가열하고, 속이 찬 투명 유리 코어 모재로 하였다.

이 투명 유리 코어 모재를 유리 선반에서 소정의 직경으로 가열 연신하여 긴 방향의 외경을 가지런히 하였다. 이 때에 유리 선반의 산수소 화염의 영향으로 표면에 OH기가 받아들여지지만, 연신 후의 투명 유리 코어 모재를 더 불화수소산 수용액에 침지하여 표면을 녹임으로써 이것을 제거하였다. 또한, 유리 선반의 가열원에 아르곤 플라스마 화염을 이용해도 좋다. 이 경우는 코어 모재의 표면에 OH기가 혼입하지 않기 때문에 불화수소산에 의한 처리를 생략할 수가 있다.

다음에, 이 투명 유리 코어 모재 상에 OVD법에 의해 실리카 유리 미립자를 퇴적하고, 제3 코어에 상당하는 다공질층을 형성하였다. 이것을 염소 분위기 가스 중에서 약 1200℃로 가열하고, 다공질 유리층에 포함되는 OH기의 제거를 행하고, 계속해서 4불화실란 가스(유량 : 매분 1리터)와 헬륨 가스(유량 : 매분 2리터)의 혼합 가스 흐름의 분위기 중에서 약 1400℃로 가열하고, 다공질 유리층에 불소를 첨가하면서 다공질 유리층을 속이 찬 것으로 하여 굴절률이 낮은 투명 유리층으로 하였다. 또한, 4불화실란에 대신하여 4불화메탄이나 6불화에탄 등의 불소 함유 가스를 이용하여 처리해도 좋다.

이렇게 하여 제작한 제1 코어, 제2 코어 및 제3 코어로 이루어지는 투명 유리 코어 모재를 클래드용의 실리카 유리 튜브에 삽입하고, 튜브의 내부를 진공 펌프로 감압하면서 약 2000℃로 가열하고, 클래드와 코어부를 일체화시켜 광섬유용의 투명 유리 모재를 제작하였다. 또한, 투명 코어 모재를 튜브에 삽입하는 것이 아니라, 투명 코어 모재의 외측에 OVD법에 따라 다공질 실리카 유리층을 퇴적하고, 이를 헬륨 분위기 가스 중에서 약 1600℃ 정도로 가열함으로써 투명 유리화하는 공정으로 해도 좋다.

이와 같이 하여 제작한 광섬유 모재를 약 2100℃로 가열하여 방사함으로써 직경 125㎛의 광섬유를 얻었다.

또한, 상기에 있어서 제작하는 광섬유의 설계치에 기초하여 각 코어의 반값직경 a, b, c에 맞추어 실리카 유리 미립자의 퇴적량을 조정하고, 또한 제1 코어에의 게르마늄의 도프량, 제3 코어에의 불소의 도프량을 조정하여 각각 실시예 1~4, 비교예 1~3으로 하였다. 이러한 광학 특성을 정리하여 표 1에 나타내었다.

또한, λ₀은 영분산 파장이며, λ_CC는 컷오프 파장이다. 휨 손실은 직경 10㎜의 맨드렐에 광섬유를 감았을 때의 파장 1550㎚에 있어서의 수치이다.

본 발명의 광섬유의 구조 파라미터를 도 1에 나타내고 실시예 1에서 제작한 광섬유의 굴절률 분포를 도 2에 나타내었다.

Claims

중심부에 제1 코어, 제1 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제2 코어, 제2 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제3 코어, 및 제3 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 클래드로 이루어지고, 이 클래드의 굴절률을 기준으로 했을 때의 제1 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ1이며, 제2 코어의 평탄부의 비굴절률차가 Δ2이며, 제3 코어의 비굴절률차의 최소치가 Δ3이며, 상기 제2 코어의 비굴절률차의 최대치 Δ2max가 Δ2max=(Δ1)/2이며, 상기 제2 코어의 비굴절률차의 최소치 Δ2min이 Δ2min=(Δ3)/2이며, 제1 코어의 Δ1에 대한 반값 반경폭이 a이며, 제3 코어의 상기 Δ3의 반값 반경폭에 대한 제2 코어와 제3 코어의 경계의 반경이 b이며, 제3 코어와 클래드의 경계의 반경이 c이며,
0.30%≤Δ1≤ 0.45%,
-0.05%≤Δ2≤0.05%,
-0.35%≤Δ3≤-0.15%,
2.5≤b/a,
3.5㎛≤a≤4.2㎛,
9㎛≤b≤13㎛,
4.5㎛≤c-b≤7.0㎛
를 만족하고, 영분산 파장이 1300㎚ 이상이고 1324㎚ 이하이며, 직경 10㎜의 맨드렐에 광섬유를 감았을 때의 파장 1550㎚에 있어서의 손실 증가가 0.2dB/Turn 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1항에 있어서,
파장 1310㎚에 있어서의 LP01 모드의 모드 필드(mode field) 직경이 8.2㎛ 이상이고 10.0㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1항 또는 제2항에 있어서,
ITU-TG.650 규격에 정해진 22m의 광섬유에서 측정하는 케이블 컷오프 파장이 1260㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 b가 1310㎚에 있어서의 모드 필드 직경의 1.21배 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
파장 1383㎚에 있어서의 전송 손실이 0.35dB/㎞ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.