KR20150018825A

KR20150018825A - 다중 모드 광 섬유 및 상기 섬유를 포함한 시스템

Info

Publication number: KR20150018825A
Application number: KR20147035646A
Authority: KR
Inventors: 스코트 로버트손 빅함; 다나 크라이그 북바인더; 밍-준 리; 푸쉬카 탄돈
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2015-02-24
Also published as: JP2015521300A; US20130322837A1; EP2856225B1; EP2856225A1; RU2014153527A; JP6235004B2; US8977092B2; CN104685394B; IN2014DN10066A; BR112014029805A2; CN104685394A; WO2013181182A1; TW201400892A

Abstract

하나의 대표적인 다중 모드 광 섬유는 41 마이크론 내지 80 마이크론의 범위 내의 직경과, 2.04 미만의 알파를 갖는 그레이드형 굴절률과, 그리고 0.6% 내지 1.8%의 범위의 최대 상대 굴절률을 갖는 그레이드형 굴절률 유리 코어를 포함한다. 클래딩은 저하형 굴절률 환형부를 포함한다. 섬유는 1200 nm 내지 1700 nm의 적어도 하나의 파장에서 2.5 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다.

Description

다중 모드 광 섬유 및 상기 섬유를 포함한 시스템{MULTIMODE OPTICAL FIBER AND SYSTEM COMPRISING SUCH FIBER}

본 출원은 2012년 5월 31일에 출원된 미국 특허 출원 제13/484970호, 및 2012년 7월 20일에 출원된 미국 특허 출원 제13/553899호의 우선권 주장 출원이며, 이들 미국 특허의 전반적인 내용은 참조로서 본원에 병합된다.

본 발명은 일반적으로 섬유 광 통신에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 1310 nm 및/또는 1550 nm 윈도우에서 파장 분할 다중화 (wavelength division multiplexing)에 대해 사용되기에 특히나 유용할 수 있는 다중 모드 광 섬유에 관한 것이다.

고성능 컴퓨팅 및 데이터 센터 설비는 통상적으로 대량의 프로세스-대-프로세스 상호 연결을 필요로 하며, 그리고, 이러한 시스템들 내의 다중 모드 (MM) 광 섬유의 사용은 큰 코어 직경으로 인한 보다 완화된 정렬 허용 공차로 인해, 가격면에서 효율적이다. 이러한 시스템들은 통상적으로 상대적으로 저렴한 VCSEL 레이저원들을 이용하여, 850 nm 파장 윈도우에서 동작한다. 광 섬유는 850 nm에서 상대적으로 높은 분산을 가지며, 그리고 이는 광 신호의 급속 광대역화 (rapid broadening)를 일으킨다. 이러한 높은 분산은 최대 시스템 길이에 대해 중대한 제약이되, 특히 25 GHz 이상의 데이터 변조율에서 중대한 제약이다. 게다가, 섬유 감쇠는 850 nm에서 상대적으로 높으며, 그리고 이는, 시스템 길이가 수십 미터를 초과할 시에 성능에 악영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 목적은 다중 모드 광 섬유 및 상기 섬유를 포함한 시스템을 제공하는 것에 있다.

일부 실시예들에 따라서, 다중 모드 광 섬유가 제공된다. 상기 섬유는 41 마이크론 내지 80 마이크론의 범위 내의 직경과, 1.95 ≤ α ≤ 2.04인 알파 프로파일을 갖는 그레이드형 굴절률과, 그리고 0.6% 내지 1.8%, 예를 들어 0.6% 내지 1.6%의 범위 내의 최대 상대 굴절률을 갖는 그레이드형 굴절률 유리 코어 (graded index glass core)를 포함한다. 상기 섬유는 또한 상기 코어를 둘러싸고 상기 코어에 접촉하는 클래딩을 포함한다. 상기 클래딩은 저하형 굴절률 환형부 (depressed-index annular portion)를 포함한다. 상기 섬유는 1200 nm 내지 1700 nm (예를 들어, 1260 nm 내지 1610 nm)의 적어도 하나의 파장에서 2500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭 (overfilled bandwidth)을 추가로 가진다.

바람직하게, 코어는 0.16 < NA < 0.26인 개구수 (numerical aperture) (NA)를 가진다. 일부 실시예들에 따라서, 상기 클래딩은 1차 도함수 (d(Δ/Δ_1MAX)/d(r/R₁))가 -2.5인 반경 위치에서 측정된 상대 굴절률 델타 (Δ₂)를 가지는 내부 환형부를 포함한다.

일부 실시예들에 따라서, 상기 클래딩은 상기 코어를 둘러싸며 그리고 상기 코어에 접촉하는 내부 환형부와, 상기 내부 환형부를 둘러싼 저하형 굴절률 환형부와, 그리고 상기 저하형 굴절률 환형부를 둘러싸며 상기 저하형 굴절률 환형부와 접촉하는 외부 환형부를 포함한다.

고성능 컴퓨팅 및 데이터 센터 설비는 통상적으로 대량의 프로세스-대-프로세스 상호 연결을 필요로 하며, 그리고, 이러한 시스템들에서 본 명세서에서 논의된 다중 모드 광 섬유들의 사용은 단일 모드 (SM) 섬유들을 이용한 시스템들에 비해 덜 엄격한 정렬 허용 공자로 인해, 커넥터의 저 비용을 초래한다. 게다가, 1310 nm 및/또는 1550 nm 윈도우에서 동작하는 시스템은 낮은 섬유 분산 및 감쇠로 인해 850 nm에서 동작하는 종래 시스템에 대해 현저한 성능 이점을 제공한다. 이는 25 GHz, 그리고 그보다 큰 데이터 변조율에서 특히나 중요하고, 광 신호의 분산적인 광대역화는 큰 장애를 초래한다. 게다가, 1310 nm 및/또는 1550 nm 윈도우에서 실리콘-포토닉 송수신기들을 사용한 높은 데이터율 시스템은 850 nm에서 동작하는 종래 VCSEL-기반 시스템보다 매우 낮은 전력을 필요로 하는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 기술된 광 섬유 및 시스템은 1310 nm 또는 1550 nm 윈도우에서 VCSEL 및 실리콘-포토닉 (silicon-photonic) 레이저원 둘 다 사용될 수 있는 것이 바람직하다.

적어도 100m의 거리를 초과하여, 1310 nm 윈도우에서 25 GHz 이상으로 변조되는 적어도 하나의 신호를 전송할 수 있는 다중 모드 광 섬유가 필요하다. 본 명세서에서 기술된 섬유 실시예들은 적어도 100m의 거리를 초과하여, 1310 nm 윈도우에서 25 GHz 이상으로 변조되는 적어도 4 개의 신호를 전송할 수 있다. 본 명세서에 기술된 일부 섬유 실시예들은 또한 적어도 300m의 거리를 초과하여, 1310 nm 윈도우에서 25 GHz 이상으로 변조되는 적어도 4 개의 신호를 전송할 수 있다. 본 명세서에 기술된 일부 섬유 실시예들은 적어도 500m의 거리를 초과하여, 1310 nm 윈도우에서 25 GHz 이상으로 변조되는 적어도 4 개의 신호를 전송할 수 있다.

이와 유사하게, 적어도 100m의 거리를 초과하여, 1550 nm 윈도우에서 25 GHz 이상으로 변조되는 적어도 하나의 신호를 전송할 수 있는 다중 모드 광 섬유들이 필요하다. 본 명세서에서 기술된 섬유 실시예들은 적어도 100m의 거리를 초과하여, 1550 nm 윈도우에서 25 GHz 이상으로 변조되는 적어도 4 개의 신호를 전송할 수 있다. 본 명세서에서 기술된 일부 섬유 실시예는 또한 적어도 300m의 거리를 초과하여, 1550 nm 윈도우에서 25 GHz 이상으로 변조되는 적어도 4 개의 신호를 전송할 수 있다. 본 명세서에서 기술된 일부 섬유 실시예들은 또한 적어도 500m의 거리를 초과하여, 1550 nm 윈도우에서 25 GHz 이상으로 변조되는 적어도 4 개의 신호를 전송할 수 있다.

추가적인 특정 및 이점은, 다음의 상세한 설명에서 기술되며, 그리고 기술 분야의 통상의 기술자에 대해 상세한 설명으로부터 손쉽게 부분적으로 분명해질 것이거나, 또는 상세한 설명, 청구항 이뿐 아니라 첨부된 도면을 포함하여, 본 명세서에 기술된 바와 같은 실시예들을 실행함으로써, 인지될 것이다.

이해하여야 하는 바와 같이, 일반적인 상기의 설명 및 다음의 상세한 설명 둘 다는 단지 예시적일 뿐, 청구항의 특성 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 특을 제공하는 것으로 의도된다. 첨부된 도면은 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 그리고 이러한 명세서의 일부에 병합되고 상기 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 다양한 실시예들의 원리 및 동작을 설명하기 위한 설명 제공과 함께, 하나 이상의 실시예들을 제시한다.

도 1은 일 실시예에 따라서, 저하형 굴절률 환형부를 가진 다중 모드 광 섬유의 대표 실시예의 유리부의 단면의 굴절률 프로파일의 개략적인 다이어그램 (비축척)이다;
도 2는 도 1의 다중 모드 광 섬유의 단면도 (비축척)이다;
도 3은 다중 모드 광 섬유의 대표 실시예의 굴절률 프로파일을 예시한 그래프이다;
도 3a는 다중 모드 광 섬유의 또 다른 대표 실시예의 굴절률 프로파일을 예시한 그래프이다;
도 4는 다중 모드 광 섬유의 3 개의 대표 실시예들의 파장의 함수로서, 매크로벤드 손실 (macrobend loss)을 예시한 그래프이다; 그리고
도 5는 다중 모드 광 섬유의 일 실시예를 이용한 전송 시스템의 개략적인 예시이다.

이제, 바람직한 본 실시예들, 예시를 참조하여 상세하게 기술할 것이며, 이러한 실시예들 및 예시들은 첨부된 도면에서 예시된다. 가능하다면, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 전반에 걸쳐 사용될 것이다.

"굴절률 프로파일"은 굴절률 또는 상대 굴절률과 도파관 섬유 반경 간의 관계이다.

"상대 굴절률"은 Δ=100×[n (r)²-n_cl ²)]/2n (r)²로서 정의되고, n (r)은 섬유의 중심선으로부터의 반경 거리 (r)에서의 굴절률이며, 그리고 n_cl은 1310 nm의 파장에서 외부 클래딩의 평균 굴절률이다. 별다른 규정이 없는 이상, 섬유 직경이 125 마이크론일 시에, n_cl은 약 45 내지 55 마이크론의 반경 범위에 걸친 굴절률을 평균화함으로써 결정되고, 예를 들면,

이고, 범위 45 ≤ r ≤ 55 마이크론에서 N 개의 데이터 지점들이 있으며, 그리고 N은 적어도 2이다. 섬유 직경 (2*R₄)이 125 마이크론과 동일하지 않은 실시예들에서, n_cl은 약 0.72*R₄ 내지 0.88*R₄의 반경 범위에 걸친 굴절률을 평균화함으로써 결정된다. 일 양태에서, 클래딩은 기본적으로 순수 실리카를 포함한다. 다른 양태들에서, 클래딩은 굴절률을 증가시키는 하나 이상의 도펀트 (예를 들면, GeO₂, Al₂O₃, P₂O₅, TiO₂, ZrO₂, Nb₂O₅ 및/또는 Ta₂O₅)를 가진 실리카를 포함할 수 있고, 이 같은 경우에 클래딩은 순수 실리카 (pure silica)에 대해 "업-도핑"된다. 클래딩은 또한 굴절률을 감소시키는 하나 이상의 도펀트 (예를 들면, F 및/또는 B)를 가진 실리카를 포함할 수 있고, 이 같은 경우에, 클래딩은 순수 실리카에 대해 "다운-도핑"된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상대 굴절률은 델타 또는 Δ로 나타내며, 그리고 그의 값들은 통상적으로 별다른 규정이 없는 이상 "%"의 단위로 주어진다. 용어: 상대 굴절률 델타, 델타, Δ, Δ%, %Δ, 델타%, % 델타 및 퍼센트 델타는 본 명세서에서 서로 호환되어 사용될 수 있다. 임의의 영역의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 작은 경우, 상대 굴절률은 음이 되며, 그리고 저하 굴절률을 갖는 것을 의미하고, 별다른 규정이 없는 이상, 상대 굴절률이 최대 음인 지점에서 계산된다. 임의의 영역의 굴절률이 실리카의 굴절률보다 큰 경우에, 상대 굴절률은 양이 되며, 그리고 상기 영역은 상승되는 것으로 또는 양의 굴절률을 가지는 것으로 일컬어질 수 있으며, 그리고 별다른 규정이 없는 이상, 상대 굴절률이 최대 양인 지점에서 계산된다.

"업-도펀트"는 본 명세서에서, 순수 비도핑된 SiO₂에 대해 굴절률을 상승시키는 성향을 가진 도펀트로 간주된다. "다운-도펀트"는 본 명세서에서, 순수 비도핑된 SiO₂에 대해 굴절률을 감소시키는 성향을 가진 도펀트로 간주된다. 업-도펀트는, 업-도펀트들이 아닌 하나 이상의 다른 도펀트에 의해 수반될 시에, 음의 상대 굴절률을 가진 광 섬유의 영역에 존재할 수 있다. 마찬가지로, 업-도펀트가 아닌 하나 이상의 다른 도펀트는 양의 상대 굴절률을 가진 광 섬유의 영역에 존재할 수 있다. 다운-도펀트는, 다운-도펀트가 아닌 하나 이상의 다른 도펀트에 의해 수반될 시에, 양의 상대 굴절률을 가진 광 섬유의 영역에 존재할 수 있다. 마찬가지로, 다운-도펀트가 아닌 하나 이상의 다른 도펀트는 음의 상대 굴절률을 가진 광 섬유의 영역에 존재할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 1310 nm 윈도우는 1200 nm 내지 1400 nm의 파장 범위, 또는 이러한 파장 범위의 서브셋 (subset)으로 정의된다. 예를 들어, 1260 내지 1400 nm, 1260 내지 1360 nm, 1270 내지 1350 nm, 1280 내지 1340 nm 또는 1290 내지 1330 nm (예를 들면, 1260 nm, 1290 nm, 1310 nm, 1330 nm, 1350 nm, 1370 nm, 또는 1400 nm)이다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 1550 nm 윈도우는 1500 nm 내지 1600 nm의 파장 범위, 또는 이러한 파장 범위의 서브셋으로 정의된다. 예를 들어, 1520 내지 1580 nm, 1530 내지 1570 nm, 1540 내지 1600 nm, 1540 내지 1580 nm 또는 1530 내지 1570 nm (예를 들면, 1500 nm, 1510 nm, 1520 nm, 1530 nm, 1540 nm, 1560 nm, 1570 nm, 1580nm, 1590 nm 또는 1600 nm)이다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 섬유의 개구수는 명칭이 "Measurement Methods and Text Procedures-Numerical Aperture"인 TIA SP3-2839-URV2 FOTP-177 IEC-60793-1-43에 설명된 방법을 이용하여 측정된 바와 같은 개구수를 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 그레이드형 굴절률, "α-프로파일" 또는 "알파 프로파일"은 "%"의 단위인 Δ에 관해 나타난 상대 굴절률 프로파일을 의미하고, 이때 r은 반경이고, 다음과 같은 식을 가지며,

,

여기서, Δ₀은 r = 0에 대해 추정된 상대 굴절률이고, R₁은 코어의 반경 (즉, Δ (r)이 제로인 반경 (도 1 참조))이며, α는 실수인 지수이다. 스텝형 굴절률 프로파일에 대해서, 알파 값은 10 이상이다. 그레이드형 굴절률 프로파일에 대해서, 알파 값은 10 미만이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포물선"은 포물선 형상을 한 굴절률 프로파일 (이때, 코어에서 하나 이상의 지점에서 2.0의 α 값으로부터 다소 변화될 수 있음), 이뿐 아니라, 작은 변화 및/또는 중심선 딥 (centerline dip)을 가진 프로파일을 실질적으로 포함한다. 본 발명의 전형적인 예가 되는 모델링된 굴절률 프로파일들은 알파 프로파일들이 완전한 그레이드형 굴절률 코어들을 가진다. 실제 제조된 섬유는 중심선에서의 딥들 또는 스파이크들 및/또는 코어의 외부 계면에서의 디퓨전 테일 (diffusion tail) 등의 특징을 포함하여, 완전한 알파 프로파일로부터 작은 편차를 가질 수 있다. 그러나, 알파 및 Δ₀의 정확한 값들은 0.1 R₁ ≤ r ≤ 0.9 R₁의 반경 범위에 걸친 알파 프로파일에, 측정된 상대 굴절률 프로파일을 수치적으로 맞춤으로서 획득될 수 있다. 중심선에서 딥들 또는 스파이크들 등의 결함들이 없는 이상적인 그레이드형 굴절률 섬유들에서, Δ₀ = Δ_1MAX이고, 여기서 Δ_1MAX는 코어의 최대 굴절률이다. 다른 경우들에서, 0.1 R₁ ≤ r ≤ 0.9 R₁으로부터의 수치 맞춤으로 획득된 Δ₀으로부터 나온 값은 Δ_1MAX보다 크거나 작을 수 있다.

향상된 성능 특징들을 제공하는 코어 직경을 보이는 다중 모드 광 섬유의 다양한 실시예들이 제공된다. 그레이드형 굴절률 유리 코어 및 상기 코어를 둘러싸서 상기 코어에 접촉하는 클래딩을 가진 다중 모드 광 섬유가 개시된다. 본 명세서에 개시된 실시예들에 따라서, 코어 직경은 41 내지 약 80 마이크론이다. 일부 대표 실시예들에서, 코어 직경은, 상업적으로 이용가능한 62.5 마이크론 MMF의 코어 직경에 비교할만한 약 60 내지 약 65 마이크론이다. 다른 대표 실시예들에서, 코어 직경은, 상업적으로 이용가능한 50 마이크론 MMF의 코어 직경에 비교할만한 약 47 내지 약 53 마이크론이다. 일부 대표 실시예들에서, 코어 직경은 광 송수신기들에 연결되기 위해 보다 큰 정렬 허용 공차들을 가능케 하는 약 70 내지 78 마이크론이다. 다른 대표 실시예들에서, 코어 직경은, 섬유의 전파 모드들의 수를 감소시키고, 보다 큰 대역폭을 가능케 하는 약 41 내지 약 50 마이크론이다.

코어는 또한 1.95보다 작지 않고 2.04보다 크지 않은, 바람직하게 2.03 이하인, 그리고 보다 바람직하게 1.96 내지 2.03, 그리고 심지어 보다 바람직하게 1.974 내지 2.02 (예를 들어, 1.974, 1.975, 1.976, 1.978, 1.979, 1.98, 1.981, 1.982, 1.983, 1.985 1.99, 2.002, 2.006, 2.007, 2.008, 2.009, 2.01, 2.012, 2.015 또는 이들 사이 값)인 알파 (α) 값을 가진 그레이드형 굴절률을 포함한다. 이러한 알파 값들은 1310 nm 윈도우에서 섬유 대역폭들을 높게 가능케 한다. 코어는 0.6% 내지 1.8% (바람직하게 0.6% to 1.6%)의 범위, 예를 들어, 0.6%, 0.65%, 0.7%, 0.8%, 0.85%, 0.9%, 0.95%, 1%, 1.05%, 1.1%, 1.2%, 1.3%, 1.5%, 1.6%, 1.7%, 1.8%에서 최대 굴절률을 추가로 가진다. 일부 실시예들에서, 코어는 0.7% 내지 1.2%의 범위 내의 최대 굴절률을 가진다. 다른 실시예들에서, 코어는 0.85% 내지 1.15%, 바람직하게 0.88% 내지 1.1%, 그리고 보다 바람직하게 0.9% 내지 1.05%의 범위 내의 최대 굴절률을 가진다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 코어는 0.9%, 0.93%; 0.95%; 0.98%; 1%; 또는 1.05%의 최대 상대 굴절률 델타를 추가로 가진다.

본 명세서에서 기술된 실시예들에서, 클래딩은 저하형 굴절률 환형부를 포함한다. 바람직하게, 클래딩은, 코어를 둘러싸고 상기 코어에 접촉하는 내부 환형부와, 상기 내부 환형부를 둘러싼 저하형 굴절률 환형부와, 그리고 상기 저하형 굴절률 환형부를 둘러싸고 상기 저하형 굴절률 환형부에 접촉하는 외부 환형부를 포함한다.

일부 실시예들에서, 섬유는 1310 nm에서 2500 MHz-km보다 큰, 그리고 일부 실시예에서, 1310 nm에서 3750 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 일부 실시예들에서, 섬유는 1310 nm에서 5000 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 추가로 가지며, 그리고 일부 실시예들에서, 섬유는 1310 nm에서 6000 MHz-km보다 크거나 심지어 7500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 추가로 가진다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1290 내지 1330 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1290 nm 내지 1330 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 다른 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1270 내지 1350 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1270 내지 1350 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 1 GHz-km은 1000 MHz-km과 동일하다.

일부 실시예들에서, 섬유는 1550 nm에서 2500 MHz-km보다 크고, 일부 실시예들에서 1550 nm에서 3750 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 일부 실시예들에서, 섬유는 1550 nm에서 5000 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 추가로 가지며, 그리고 일부 실시예들에서, 섬유는 1550 nm에서 6000 MHz-km 또는 심지어 7500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 추가로 가진다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1530 내지 1570 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1530 내지 1570 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 다른 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1510 내지 1590 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 바람직한 실시예들에서 1510 내지 1590 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1500 nm 내지 1600 nm의 하나 이상의 파장에서 5.0 GHz-km 이상이다.

도 1을 참조해 보면, 일 실시예에 따라서, 다중 모드 광 섬유 (100)의 유리부 (10)의 단면의 굴절률 프로파일의 개략적인 도면이 도시된다. 유리부 (10)는 그레이드형 굴절률 유리 코어 (20)와, 그리고 상기 코어 (20)를 둘러싸고 상기 코어 (20)에 접촉하는 유리 클래딩 (60)을 포함한다. 코어 (20)는 일 실시예에 따라서, 게르마늄으로 도핑된 실리카를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 따라서, 게르마늄과는 다른 도펀트들, 예를 들면, 개별적인 또는 조합한 Al₂O₃ 또는 P₂O₅은 코어 (20) 내에 사용될 수 있으며, 그리고 특히 광 섬유 (100)의 중심선에서 또는 그 근방에서 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 클래딩 (60)은 내부 환형부 (30), 저하형 굴절률 환형부 (40), 및 외부 환형부 (50)를 포함한다. 내부 환형부 (30)는 코어 (20)를 둘러싸고, 상기 코어에 접촉한다. 저하형 굴절률 환형부 (40)는 내부 환형부 (30)를 둘러싸고, 상기 내부 환형부에 접촉한다. 외부 환형부 (50)는 저하형 굴절률 환형부 (40)를 둘러싸고, 상기 저하형 굴절률 환형부에 접촉한다. 클래딩 (60)은 외부 환형부 (50)를 둘러싼 추가 유리부들 등의 추가적인 부분들 (미도시)을 추가로 포함할 수 있다. 섬유 (100)는 1 차로 우레탄 아크릴레이트 (urethane acrylate) 및 아크릴레이트를 포함한 보호 코팅 (들) 및 클래딩 (60)을 둘러싼 2 차 코팅을 추가로 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2 둘 다를 참조해 보면, 다중 모드 광 섬유 (100)의 유리부 (10)는 외부 반경 (R₁)을 가진 코어 (20)로 도시된다. 일부 실시예들에 따라서, 코어 외부 반경 (R₁)은 20.5 > R₁> 40 마이크론이고, 이는 41 마이크론 내지 80 마이크론의 코어 직경에 대응한다. 예를 들어, 코어 직경은 41, 42, 45, 48, 50, 55, 60, 62.5, 65, 70, 72, 75, 78 또는 80 마이크론, 또는 이들 간의 값일 수 있다. 일부 실시예들에서, 그레이드형 굴절률 코어는 2.04보다 크지 않은 알파 (α) 값을 가진다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, (α) 값은 1.9 내지 2.04이다. 일부 실시예들에서, 그레이드형 굴절률 코어는 1.98 내지 2.02인 알파 (α) 값을 가진다. 이러한 실시예들에서, 바람직하게, 유리 코어 (20)는 0.6% 내지 1.6%의 범위 내, 그리고 일부 실시예들에서 0.7% 내지 1.2%의 범위 내의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 추가로 가진다.

일부 실시예들에서, 그레이드형 굴절률 코어는 1.95 내지 1.99, 그리고 바람직하게 1.975 내지 1.985의 알파 (α) 값을 가진다. 이러한 실시예들에서, 바람직하게, 유리 코어 (20)는 0.7% 내지 1.6%, 예를 들어, 1.75% 내지 1.55%의 범위 내의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 추가로 가진다.

예를 들어, 일부 실시예들에서, α는 1.95, 1.97, 1.975, 1.976, 1.977, 1.978, 1.98, 1.981, 1.982, 1.982, 1.983, 1.984, 1.985, 1.987, 1.99, 2.0, 2.005, 2.007, 2.009, 2.01, 2.015, 2.02, 2.03 또는 2.04, 또는 이들 간의 값이다.

일 실시예에 따라서, 코어 외부 반경 (R₁)은 22.5 내지 27.5 마이크론의 범위 내에 있고, 이는 45 마이크론 내지 55 마이크론의 범위 내의 코어 직경에 대응한다. 일부 실시예들에서, 그레이드형 굴절률 코어는 2.04 미만의 알파 (α) 값을 가진다. 예를 들어, 일 실시예에 따라서, 유리 코어 (20)는 약 1.97 내지 약 2.02의 알파 (α) 값을 가진 그레이드형 굴절률을 가진다. 이러한 실시예에서, 유리 코어 (20)는 0.9 % 내지 1.1 %의 범위 내의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 추가로 가진다. 또 다른 실시예에 따라서, 코어 그레이드형 굴절률은 1.975 내지 2.02의 알파를 가지며, 그리고 코어 (20)는 0.95 % 내지 1.05%의 범위 내의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가진다.

클래딩 (60)의 내부 클래딩부 (30)는 외부 반경 (R₂), 폭 (W₂), 상대 굴절률 (Δ₂), 및 최대 상대 굴절률 (Δ_2MAX)을 가진다. R₂는, 정규화된 반경에 대한 정규화된 굴절률 프로파일의 도함수 (본 명세서에서, 정규화된 기울기 및 정규화된 1차 도함수로도 알려짐) (d(Δ/Δ_1MAX)/d(r/R₁))가 도 3a에 도시된 바와 같이, -2.5와 동일한 반경으로서 정의된다. 굴절률 (Δ₂)은 1차 도함수 (d(Δ/Δ_1max)/d(r/R₁)가 -2.5와 동일한 반경에서의 상대 굴절률이고, Δ_1max는 최대 코어 델타이며, 그리고 R₁은 이하에서 추가로 기술된 바와 같이, 알파 프로파일에 코어 굴절률 프로파일을 맞춤으로써, 추정된 코어 반경이다. 내부 클래딩부 (30)의 폭 (W₂)은 0.5 내지 4.0 마이크론, 그리고 일부 실시예들에 따라서, 바람직하게 0.5 내지 2.5 마이크론의 범위, 예를 들어 0.5㎛ ≤ W₂≤ 2.5㎛ 내에 있을 수 있다. 내부 클래딩부 (30)의 외부 반경 (R₂)은 바람직하게 23 내지 40 마이크론의 범위 내에 있다. 일부 실시예들에서, 내부 클래딩의 최대 상대 굴절률 (Δ_2max)은 약 0.1% 미만이다. 다른 실시예들에서, 내부 클래딩의 최대 상대 굴절률 (Δ_2max)은 약 0.0% 미만이다. 다른 실시예들에서, 내부 클래딩의 최대 상대 굴절률 (Δ_2max)은 약 -0.1% 내지 약 0.1 %이다.

클래딩 (60)의 저하형 굴절률 환형부 (40)는 최소 상대 굴절률 (Δ_3MIN)을 가지며, 그리고 R₂로부터 R₃로 뻗어나가고, 여기에서 R₃는 Δ₃(r)이 우선 -0.05%보다 큰 값에 도달하여, Δ₃(r) = Δ_3MIN인 반경으로부터 외부 방향을 향하여 방사상으로 나아가는 반경이다. 저하형 굴절률 환형부 (40)는 반경 폭 (W₃ = R₃-R₂)을 가진다. 일 실시예에서, 저하형 굴절률 환형부 (40)는 적어도 1 마이크론의 폭 (W₃)을 가진다. W₃은 바람직하게 2 마이크론 내지 10 마이크론, 보다 바람직하게 2 마이크론 내지 8 마이크론, 그리고 심지어 보다 바람직하게 2 마이크론 내지 6 마이크론이다. 저하형 굴절률 환형부 (40)는 27 내지 45 마이크론, 보다 바람직하게 28 내지 32 마이크론, 예를 들어 30 내지 45 마이크론, 또는 35 내지 45 마이크론의 범위 내의 외부 반경 (R₃)을 가질 수 있다. 저하형 굴절률 환형부 (40)는 약 -0.2 % 미만의 최소 상대 굴절률 (Δ_3MIN)을 가지며, 그리고 보다 바람직하게 굴절률은 -0.3 % 내지 -0.7 %의 범위 내에 있을 수 있다. 굴절률이 낮은 링은, Δ₂이하이고 또한 Δ_1MAX미만인 최소 상대 굴절률 (Δ_3MIN)을 가진다.

저하형 굴절률 환형부는 다음과 같이 본 명세서에 정의된 프로파일 볼륨 (V₃)을 가지고:

여기서, R₂는 상기에서 정의된 바와 같이, 저하형 굴절률 환형부의 반경이며, 그리고 R₃는 상기에서 정의된 바와 같이, 저하형 굴절률 환형부의 외부 반경이다. 본 명세서에서 개시된 섬유들에 대해서, V₃의 절대 크기 (absolute magnitude)는 바람직하게 20 %-㎛²보다 크고, 일부 실시예들에서 40 %-㎛²보다 크고, 다른 실시예들에서 60 %-㎛²보다 크고, 보다 바람직하게 80 %-㎛²보다 크고, 예를 들어: 90 %-㎛²보다 크고, 95 %-㎛²보다 크고, 100 %-㎛²보다 크고, 또는 110 %-㎛²보다 크다. 일부 바람직한 실시예들에서, V₃의 절대 크기는 60 %-㎛²보다 크고 200 %-㎛²보다 낮다. 다른 바람직한 실시예들에서, V₃의 절대 크기는 80 %-㎛²보다 크고 160 %-㎛²보다 낮다. 다른 바람직한 실시예들에서, V₃의 절대 크기는 80 %-㎛²보다 크고 140 %-㎛²보다 낮다. 다른 바람직한 실시예들에서, V₃의 절대 크기는 60 %-㎛²보다 크고 120 %-㎛²보다 낮다.

일부 실시예들에서, 저하형 굴절률 환형부 (40)는 불소 및/또는 붕소로 도핑된 실리카를 포함한다. 일부 다른 실시예들에서, 저하형 굴절률 환형부 (40)는 비-주기적으로 배치되거나, 또는 주기적으로 배치되거나, 또는 비-주기적과 주기적으로 배치된 보이드들을 포함한다. "비-주기적으로 배치된" 또는 "비-주기적인 분포"에 의해, 의미하는 바와 같이, 광 섬유의 단면 (예를 들어, 길이 방향 축에 대해 수직을 이루는 단면)을 볼 시에, 비-주기적으로 배치된 보이드들은 섬유의 일부를 가로질러 임의로 또는 비-주기적으로 분포된다. 섬유의 길이를 따른 서로 다른 지점들에서 취해진 유사 단면들은 서로 다른 단면 홀 패턴들을 드러낼 것이고, 즉 다양한 단면들이 서로 다른 홀 패턴들을 가질 것이며, 여기서 보이드들의 분포 및 보이드들의 크기는 일치하지 않는다. 즉, 상기 보이드들 또는 보이드들은 비-주기적이며, 즉, 이들은 섬유 구조체 내에 주기적으로 배치되지 않는다. 이러한 보이드들은 광 섬유의 길이를 따라 (즉, 길이 방향 축과 평행하게) 늘어지지만 (길게 형성되지만), 그러나 전송 섬유의 통상적인 길이를 위해 전체 섬유의 전체 길이를 따라 뻗어나가지는 않는다. 보이드들은 하나 이상의 가스, 예를 들면, 아르곤, 질소, 크립톤, CO₂, SO₂, 또는 산소를 함유할 수 있고, 또는 보이드들은 실질적으로 가스가 없는 진공을 함유할 수 있고; 임의의 가스의 존재 또는 부재에 상관없이, 환형부 (50)에서의 굴절률은 보이드들의 존재로 인해 낮아지게 된다. 이론에 묶이는 것을 바라지는 않지만, 여겨지는 바와 같이, 보이드들은 수 미터 미만으로 뻗어나가며, 그리고 다수의 경우에서, 섬유의 길이를 따라 1 미터 미만으로 뻗어나간다. 본 명세서에 개시된 광 섬유 (100)는 모재 강화 조건들을 이용한 방법들에 의해 이루어질 수 있고, 이때 상기 모재 강화 조건들은 강화된 유리 블랜크 (blank)에서 갇히게 되는 가스의 상당한 양을 초래하여, 강화된 유리 광 섬유 모재에서 보이드들의 형성을 일으키는데 효과적이다. 이러한 보이드들을 제거하기 위한 단계들을 취하기보다는 오히려, 최종 모재는 보이드들을 가진 광 섬유 또는 광 섬유 내의 보이드들을 형성하기 위해 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 홀의 직경은 가장 긴 라인 세그먼트이고, 상기 세그먼트의 종점들은, 광 섬유의 길이 방향의 축에 가로 놓인 수직 단면으로 섬유를 볼 시에 홀을 정의하는 실리카 내부 표면 상에 배치된다.

일부 실시예들에 따라서, 클래딩 (60)의 외부 환형부 (50)는 외부 반경 (R₄)을 가지며, 그리고 Δ₂보다 크고 Δ_3MIN보다 크며 그리고 Δ_1MAX보다 작은 상대 굴절률 (Δ₄)을 가진다. 이에 따라서, 이러한 실시예에서, Δ_1MAX > Δ₄ > Δ₂ > Δ_3MIN이다. 그러나, 이해하여야 하는 바와 같이, 다른 실시예들도 가능하다. 예를 들어, Δ₄는 Δ₂와 동일할 수 있다 (예를 들어, 표 1 참조). 대안으로, Δ₂는 Δ₄보다 클 수 있다. 일 실시예에 따라서, 외부 반경 (R₄)은 약 62.5 마이크론이고, 이로 인해, 약 125 마이크론의 외부 섬유 직경을 초래한다.

방사상으로 대칭적인 광 섬유의 굴절률 프로파일은 반경 좌표 (r)에 의존하며, 그리고 방위각 좌표 (φ)와는 독립적이다. 이하에서 개시된 예시들을 포함한 대부분 광 섬유들에서, 굴절률 프로파일은 단지 작은 굴절률차 (index contrast)를 보이며, 그리고 섬유는 단지 약하게 안내되는 것으로 추정될 수 있다. 이러한 조건들 둘 다가 만족되는 경우, 맥스웰 방정식들은 스칼라 파동 방정식에 대해 감소될 수 있고, 상기 파동 방정식의 해결책은 선형으로 편광된 (LP) 모드이다.

주어진 파장에 대해서, 주어진 굴절률 프로파일에 대한 스칼라 파동 방정식의 반경 방정식은 전파 상수 (β)의 특정 이산 값들에 대해 r이 단지 무한으로 진행하기 위해 제로로 가는 경향인 해결책을 가진다. 스칼라 파동 방정식의 이러한 고유벡터들 (전계를 가로지름)은 섬유의 모드들로 안내하며, 그리고 고유치들은 전파 상수들 (β_lm)이며, 여기서 l은 방위각 지수이며, 그리고 m은 반경 지수이다. 그레이드형 굴절률 섬유에서, LP 모드들은 원칙 모드 수 (principle mode number)의 공통 값들 (p = l + 2m - 1)로 지칭된 그룹들로 분할될 수 있다. 이러한 그룹들 내의 모드들은 거의 악화된 전파 상수들 및 컷오프 파장들을 가지며, 그리고 그룹 속도가 동일한 섬유를 통하여 전파되는 경향이 있다.

개구수 (NA)는 내부 전반사에 의해 섬유 내에 완전하게 구속되는 입사광의 (섬유의 축에 대한) 최대 각도의 사인 (sine)으로 정의된다. 도시될 수 있는 바와 같이, 이러한 조건은 관계성

을 만들어 내며, 여기서 n₁은 그레이드형 굴절률 코어의 최대 굴절률이다. 델타 (Δ)의 정의를 사용하면, 이러한 표현은 다음 방정식으로 변환될 수 있다:

주어진 파장에서 과충전된 대역폭은 과충전된 런치 (launch)를 사용하여, 측정치 표준 FOTP-204에 따라 측정된다. 모델링된 대역폭은 T.A.Lenahan에서 개략화된 절차 "Calculation of Modes in an Optical Fiber Using the Finite Element Method and EISPACK" Bell Sys. Tech. J., vol. 62, pp. 2663-2695 (1983)에 따라서 계산될 수 있고, 이의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 병합된다. 이 참조문의 방정식 47은 모드 간 지연들 (modal delays)을 계산하기 위해 사용된다; 그러나, 항 dk_cl/dω²이 dk² _cl/dω²으로 대체되어야 하는 점을 주목하고, 여기서 k_cl = 2π*n_cl/λ 및 ω=2π/λ이다. 모드 간 지연들은 통상적으로 단위 길이당 정규화되고, ns/km의 단위로 주어진다. 계산된 대역폭들은 또한 굴절률 프로파일이 중심선 딥 등의 동요 없이 이상적이고, 그 결과 주어진 설계에 대해 최대 대역폭을 나타내는 것을 추정한다.

매크로벤드 성능은 10 mm, 20 mm 또는 30 mm의 직경 맨드릴 주위를 2 회전 권취하며 (예를 들면 "2x10 mm 직경 매크로벤드 손실" 또는 "2x20 mm 직경 매크로벤드 손실"), 그리고 둘러싸인 플럭스 (EF) 개시 조건을 사용한 굽힘으로 인해 감쇠의 증가를 측정함으로써, FOTP-62 (IEC-60793-1-47)에 따라 결정된다. 둘러싸인 플럭스는 종래 (즉, 굽힘에 둔감하지 않음)의 50 ㎛ 다중 모드 광 섬유 (중앙점 근방의 1x25 mm 직경 맨드릴이 배치됨)의 2m 길이의 입력 말단에 과충전된 펄스를 개시함으로써 획득된다. 표준 50 마이크론 다중 모드 섬유는 약 50 마이크론의 코어 직경과, 약 0.2의 개구수와, 그리고 그레이드형 굴절률 코어 및 동종 클래딩을 포함한 굴절률 프로파일을 가진다. 표준 50 ㎛ 광 섬유의 출력 말단은 테스트 하에 섬유에 붙여지게 되며, 그리고 측정된 굽힘 손실은 굽힘 없이, 감쇠에 대해 규정된 굽힘 조건 하의 감쇠비이다.

다중 모드 섬유 (100)는 1290 nm 내지 1610 nm의 적어도 하나의 파장에서 2500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭과, 그리고 0.26 미만, 바람직하게 0.16 내지 0.26, 보다 바람직하게 0.17 내지 0.21인 개구수 (NA)를 가진다. 바람직하게, 과충전된 대역폭은 1310 또는 1550 nm에서 3750 MHz-km보다 크며, 그리고 일부 실시예들에서, 1310nm에서 1310 또는 1550 nm에서 5000 MHz-km보다 크다. 본 명세서에 개시된 일부 섬유 실시예들은 1310 nm에서 6000 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지며, 그리고 일부 섬유 실시예들에서 1310 nm에서 7500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1290 내지 1330 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1290 내지 1330 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750 MHz-km, 5000 MHz-km 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 다른 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1270 내지 1350 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1270 nm 내지 1350 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다.

본 명세서에 개시된 일부 섬유 실시예들은 1350nm에서 6000 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지며, 그리고 일부 섬유 실시예들에서, 1350nm에서 7500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1530 내지 1570 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1530 내지 1570 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750 MHz-km, 5000 MHz-km 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 다른 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1510 nm 내지 1590 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1510 내지 1590 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다.

본 명세서에서 개시된 일부 섬유 실시예들은 1310 nm에서 2 dB보다 작은 2x10mm 매크로벤드 손실을 가지며, 그리고 다른 섬유 실시예들은 1310 nm에서 1.5 dB보다 작은 2x10mm 매크로벤드 손실을 가진다. 일부 실시예들에서, 2x10mm 매크로벤드 손실은 1310 nm에서 1.0 dB보다 작으며, 그리고 일부 예시들에서 심지어 0.8 dB보다 작다. 본 명세서에서 개시된 일부 섬유 실시예들은 1310 nm에서 0.7 dB보다 작은 2x15mm 매크로벤드 손실을 가지며, 그리고 다른 섬유 실시예들은 1310 nm에서 0.5 dB보다 작은 2x15mm 매크로벤드 손실을 가진다. 일부 실시예들에서, 2x15mm 매크로벤드 손실은 1310 nm에서 0.4 dB보다 작으며, 그리고 일부 예시들에서, 심지어 0.3 dB보다 작다. 본 명세서에 개시된 일부 섬유 실시예들은 1310 nm에서 0.6 dB보다 작은 2x20mm 매크로벤드 손실을 가지며, 그리고 다른 섬유 실시예들은 0.4 dB보다 작은 2x20mm 매크로벤드 손실을 가진다. 일부 실시예들에서, 2x20mm 매크로벤드 손실은 1310 nm에서 0.3 dB보다 작으며, 그리고 일부 예시들에서 심지어 0.2 dB보다 작다.

본 명세서에 개시된 일부 섬유 실시예들은 1550 nm에서 2 dB보다 작은 2x10mm 매크로벤드 손실을 가지며, 그리고 다른 섬유 실시예들은 1550 nm에서 1.5 dB보다 작은 2x10mm 매크로벤드 손실을 가진다. 일부 실시예들에서, 2x10mm 매크로벤드 손실은 1550 nm에서 1.0 dB보다 작으며, 그리고 일부 예시들에서 심지어 0.8 dB보다 작다. 본 명세서 개시된 일부 섬유 실시예들은 1550 nm에서 0.7 dB보다 작은 2x15mm 매크로벤드 손실을 가지며, 그리고 다른 섬유 실시예들은 1550 nm에서 0.5 dB보다 작은 2x15mm 매크로벤드 손실을 가진다. 일부 실시예들에서, 2x15mm 매크로벤드 손실은 1550 nm에서 0.4 dB보다 작으며, 그리고 일부 예시들에서 심지어 0.3 dB보다 작다. 본 명세서에 개시된 일부 섬유 실시예들은 1550 nm에서 0.6 dB보다 작은 2x20mm 매크로벤드 손실을 가지며, 그리고 다른 섬유 실시예들은 0.4 dB보다 작은 2x20mm 매크로벤드 손실을 가진다. 일부 실시예들에서, 2x20mm 매크로벤드 손실은 1550 nm에서 0.3 dB보다 작으며, 그리고 일부 예시들에서 심지어 0.2 dB보다 작다.

예시들

표들 1-4는, 본 명세서에 개시되고 도 1에 도시된 본 발명에 따라서, 다양한 특징들을 가진 모델링되는 다중 모드 섬유들의 실시예의 4 개의 셋트에 일반적으로 배치된 다양한 예시들을 요약한다. 다중-모드 섬유들의 다양한 광 속성들은 굴절률 프로파일 파라미터들로 모델링된다. 이러한 파라미터들은 코어의 상대 굴절률 (Δ_1MAX), 외부 코어 반경 (R₁), 및 그레이드형 굴절률 알파 (α) 파라미터를 포함한다. 추가로, 파라미터들은 내부 환형부 (40)의 상대 굴절률 (Δ₂), 내부 환형부 (40)의 반경 (R₂) 및 내부 환형부 (40)의 폭 (W₂)을 포함한다. 나아가, 파라미터들은 저하형 굴절률 환형부 (50)의 최소 상대 굴절률 (Δ_3MIN), 및 저하형 굴절률 환형부 (50)의 외부 반경 (R₃)을 포함한다. 나아가, 계산은 1270 nm, 1280 nm, 1290 nm, 1310 nm, 1330 nm, 1340 nm 및 1350 nm에서의 과충전된 대역폭, 1310 nm에서의 전파 LP 모드들의 수, 1310 nm에서의 분산 및 분산 기울기, 1310 nm에서의 감쇠, 마이크론 단위의 코어 직경 및 개구수를 포함한다. 표들 1-4의 예시들에서, 섬유는, (a) 1.95 내지 2.04의 (α) 값을 가진 코어, 및 (b) 내부 환형부 (40)의 최적화된 폭 (W₂)으로 인해, 1310 nm 윈도우에서 높게 과충전된 대역폭 (BW)을 가진다. 각각의 실시예에 대한 최적 폭은 코어, 내부 환형부 및 저하형 굴절률 환형부의 최대 상대 굴절률들에 의존한다. 이러한 굴절률 프로파일들은 1310 nm에서 2500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가능케 하며, 그리고 일부 바람직한 실시예들에서, 1310 nm에서의 과충전된 대역폭은 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1290 내지 1330 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1290 내지 1330 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 다른 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1270 내지 1350 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1270 내지 1350 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다.

표 1은, 다중 모드 섬유 (100)가 45 내지 55 마이크론의 코어 직경을 보이며, 그리고 코어가 0.9% 내지 1%의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가지는 8 개의 모델링된 실시예들을 나타낸다. 이러한 대표 섬유 실시예들에서, 1.98 ≤ α ≤ 2.04이며, 그리고 바람직한 실시예들에서 범위가 1.99 ≤ α ≤ 2.03이 된다. 과충전된 대역폭은 1310 nm에서 7500 MHz-km (7.5 GHz-km)보다 크며, 그리고 일부 실시예들에서, 1310 nm에서 10 GHz-km 또는 심지어 15 GHz-km보다 크다. 이러한 실시예들의 개구수들은 0.185 내지 0.215이다. 분산은 1310 nm에서 5 ps/nm/km 미만이며, 그리고 감쇠는 1310 nm에서 0.7 dB/km 미만이다.

표 2는, 다중 모드 섬유 (100)가 41 내지 80 마이크론의 코어 직경을 보이고 코어가 0.8% 내지 1.3%의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가진 7 개의 실시예들을 나타낸다. 이러한 대표 섬유 실시예들에서, 1.98 ≤ α ≤ 2.04이며, 그리고 바람직한 실시예들에서 범위는 1.99 ≤ α ≤ 2.03이 된다. 과충전된 대역폭은 1310 nm에서 7500 MHz-km (7.5 GHz-km)보다 크며, 그리고 일부 실시예들에서, 1310 nm에서 10 GHz-km 또는 심지어 15 GHz-km보다 크다. 이러한 실시예들의 개구수들은 0.185 내지 0.215이다. 분산의 크기는 1310 nm에서 5 ps/nm/km 미만이며, 그리고 감쇠는 1310 nm에서 0.7 dB/km 미만이다.

표 3은, 다중 모드 섬유 (100)가 41 내지 80 마이크론의 코어 직경을 보이며 그리고 코어가 0.6% 내지 1.6%의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가진 6 개의 실시예들을 나타낸다. 이러한 대표 섬유 실시예들에서, 1.98 ≤ α ≤ 2.04이며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 범위는 1.99 ≤ α ≤ 2.03이 된다. 과충전된 대역폭은 1310 nm에서 7500 MHz-km (7.5 GHz-km)보다 크며, 그리고 일부 실시예들에서, 1310 nm에서 10 GHz-km 또는 심지어 15 GHz-km보다 크다. 분산의 크기는 1310 nm에서 5 ps/nm/km 미만이며, 그리고 감쇠는 1310 nm에서 0.7 dB/km 미만이다. 이러한 실시예들의 서브셋에서, 코어 직경은 50 내지 80 마이크론이며, 그리고 코어는 1.3% 내지 1.6%의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가진다. 실시예들의 이러한 서브셋의 개구수는 0.23 내지 0.26이다. 이러한 실시예들의 또 다른 서브셋에서, 코어 직경은 41 내지 50 마이크론이며, 그리고 코어는 0.6% 내지 0.9%의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가진다. 실시예들의 이러한 서브셋의 개구수는 0.16 내지 0.19이다.

표 4는 다중 모드 섬유 (100)가 41 내지 80 마이크론의 코어 직경을 보이며 그리고 코어가 0.6% 내지 0.9%의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가지는 8 개의 실시예들을 나타낸다. 이러한 대표 섬유 실시예들에서, 1.98 ≤ α ≤ 2.04이며, 그리고 일부 바람직한 실시예들에서, 범위는 1.99 ≤ α ≤ 2.03이 된다. 과충전된 대역폭은 1310 nm에서 7500 MHz-km (7.5 GHz-km)보다 크며, 그리고 일부 실시예들에서, 1310 nm에서 10 GHz-km 또는 심지어 15 GHz-km보다 크다. 분산의 크기는 1310 nm에서 5 ps/nm/km 미만이며, 그리고 감쇠는 1310 nm에서 0.7 dB/km 미만이다. 이러한 실시예들의 개구수들은 0.16 내지 0.19이다. 일부 실시예들에서, 코어 직경은 45 내지 55 마이크론이고, 다른 실시예들에서, 코어 직경은 60 내지 65 마이크론이며, 그리고 다른 실시예들에서, 코어 직경은 41 내지 50 마이크론이다.

표들 1-4로부터 볼 수 있는 바와 같이, 섬유 예시들 1-28 각각은 2500 MHz-km보다 큰, 1310 nm에서의 과충전된 대역폭을 가진다. 일부 실시예들을 적어도 일부에 따라서, 섬유들은 1310 nm에서 5000 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 적어도 일부 실시예들에 따라서, 섬유들은 1310 nm에서 7.5 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 적어도 일부 실시예들에 따라서, 섬유들은 1310 nm에서 10 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 적어도 일부 실시예들에 따라서, 섬유들은 1310 nm에서 20 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1290 nm 내지 1330 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1290 nm 내지 1330 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 다른 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1270 nm 내지 1350 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1270 nm 내지 1350 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다.

표 1의 섬유 예시들은 45 마이크론 내지 55 마이크론의 범위 내의 그레이드형 굴절률 코어 직경과, 그리고 코어를 둘러싸고 저하형 굴절률 환형부를 포함한 클래딩을 갖춘 다중-모드 섬유를 예시한다. 이러한 섬유 예시들은 1310 nm에서 2.5 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 보다 구체적으로, 표 1의 섬유들은 1310 nm에서 5 GHz-km보다 크고, 심지어 1310 nm에서 10 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다. 이와 유사하게, 표 2는 1310 nm에서 11.5 GHz-km보다 크며, 그리고 심지어 1310 nm에서 15 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진 섬유들을 예시한다.

바람직하게, 섬유들은 0.21 미만의 개구수들을 가지며, 그리고 코어는 2.02 미만의 (그리고 바람직하게 < 2.01) 알파 값을 포함한다. 이러한 섬유 실시예들 중 적어도 일부 (예를 들어, 대표 섬유들 8, 및 19-28 참조)는 매우 큰 과충전된 대역폭, 예를 들어, 1310 nm에서 20 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다.

제조 섬유 예시들 29-32

예시 29. GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어 (대략 포물선 형상을 가진, 순수 실리카에 대한 대략 0.75 % 최대 굴절률)를 포함한 일 미터 길이 x 26.15 mm 직경 고체 유리 케인 (cane)이 선반 상에 적재된다. 85 그램의 SiO₂(0.36 g/cc 밀도) 슈트 (soot)는 상기 케인 상에 화염 용착되며 (flame deposited), 그리고 조립체는 1000℃에서 헬륨 및 3 % 염소로 구성된 대기 내에 2 시간 동안 건조된다. 이러한 단계에 이어, 100 % 헬륨 대기에서, 1500℃로 설정된 고온 존을 통하여 6 mm/min로 하향 구동시켜, 슈트는 GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어 및 실리카 제 1 클래딩 층을 포함한 광 모재 (optical preform)에 소결된다. 그 후, 모재는 선반 상에 적재되며, 그리고 547 그램의 SiO₂(0.36 g/cc 밀도) 슈트는 화염 용착되고 다음과 같이 소결된다. 조립체는 1125℃에서 헬륨 및 3 % 염소로 구성된 대기 내에 1 시간 동안 우선 건조되고, 이어서 30 분 동안 1125℃로 헬륨 환경에서 퍼징된다 (purge). 그 후, 조립체는, 게르마니아-실리카 그레이드형 굴절률 코어와, 실리카 내부 클래딩과, 그리고 불소-도핑된 제 2 클래딩 층을 포함한 오버 클래드 (overclad) 모재에 슈트를 소결시키기 위해, 헬륨 및 7.4 % SiF₄을 포함한 대기에서, 1460℃으로 설정된 고온 존을 통하여 14 mm/min로 하향 구동된다. 모재는 선반 상에 놓인 일 미터 x 18.75 mm 직경 케인에 인발되고, 이때 상기 선반에는 1879 그램의 SiO₂ 슈트가 화염 용착된다. 그 후, 조립체는 1000℃에서 헬륨 및 3 % 염소로 구성된 대기 내에 2 시간 동안 우선적으로 건조함으로써 소결되고, 이어서 100 % 헬륨 대기에서 1500℃으로 설정된 고온 존을 통해 6 mm/min로 하향 구동된다. 이러한 공정은 GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어와, 실리카 제 1 클래딩 층과, 불소-도핑된 제 2 클래딩 층과, 그리고 실리카 외부 클래딩을 포함한 광 모재에 슈트를 소결시켰다. 그 후에, 모재는 1000℃로 설정된 아르곤 퍼징 홀딩 오븐 (argon purged holding oven)에서 24 시간 동안 놓이게 된다. 모재는, 약 8 cm 길이 및 대략 2000℃로 설정된 고온 존을 가진 인발노 (draw furnace)를 사용하여 10 m/s로 10 km 길이의 125 마이크론 직경 섬유로 인발된다. 섬유의 측정된 특징들은 표 5에 설명된다.

예시 30. GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어 (대략 포물선 형상을 가진, 순수 실리카에 대한 대략 0.91 % 최대 굴절률) 및 실리카 제 1 클래딩을 포함한 일 미터 길이 x 26.04 mm 직경 모재는 선반 상에 적재된다. 유리 모재의 직경에 대한 그레이드형 굴절률 코어의 직경의 비는 대략 0.94이다. 596 그램의 SiO_{2 (}0.36 g/cc 밀도) 슈트는 화염 용착되고, 다음과 같이 소결된다. 조립체는 1125℃에서 헬륨 및 3 % 염소를 포함한 대기 내에 1 시간 동안 우선 건조되고, 이어서 30 분 동안 1125℃로 헬륨 환경에서 퍼징된다. 그 후 조립체는, 게르마니아-실리카 그레이드형 굴절률 코어와, 실리카 내부 클래딩과, 그리고 불소-도핑된 제 2 클래딩 층을 포함한 오버클래드 모재에 슈트를 소결시키기 위해, 헬륨 및 4.76 % SiF₄로 구성된 대기에서, 1460℃로 설정된 고온 존을 통해 14 mm/min에서 하향 구동된다. 그 후, 모재는 3575 그램의 SiO₂ 슈트가 화염 용착되는 선반 상에 놓이게 된다. 그 후, 조립체는 1000℃에서 헬륨 및 3 % 염소로 구성된 대기 내에 2 시간 동안 우선 건조함으로써 소결되고, 이어서 100 % 헬륨 대기에서 1500℃로 설정된 고온 존을 통하여 6 mm/min로 하향 구동된다. 이러한 공정은 GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어와, 실리카 제 1 클래딩 층과, 불소-도핑된 제 2 클래딩 층과, 그리고 실리카 외부 클래딩을 포함한 광 모재에 슈트를 소결시켰다. 그 후, 모재는 1000℃로 설정된 아르곤 퍼징 홀딩 오븐에서 24 시간 동안 놓이게 된다. 모재는, 약 8 cm 길이 및 대략 2000℃로 설정된 고온 존을 가진 인발노를 사용하여 10 m/s로 10 km 길이의 125 마이크론 직경 섬유로 인발된다. 섬유의 측정된 특징들은 표 5에 설명된다.

예시 31. GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어 (대략 포물선 형상을 가진, 순수 실리카에 대한 대략 0.91 % 최대 굴절률) 및 실리카 제 1 클래딩을 포함한 일 미터 길이 x 17.93 mm 직경 모재는 외부 기상 증착을 위해 설계된 선반 상에 적재된다. 유리 모재의 직경에 대한 그레이드형 굴절률 코어의 직경의 비는 대략 0.94이다. 172 그램의 SiO₂(0.36 g/cc 밀도) 슈트는 화염 용착되고, 다음과 같이 소결된다. 조립체는 1125℃에서 헬륨 및 3 % 염소로 구성된 대기 내에 1 시간 동안 우선 건조되고, 이어서 30 분 동안 1125℃로 헬륨 환경에서 퍼징된다. 그 후, 조립체는, 게르마니아-실리카 그레이드형 굴절률 코어와, 실리카 내부 클래딩과, 그리고 불소-도핑된 제 2 클래딩 층을 포함한 오버클래드 모재에 슈트를 소결시키기 위해, 헬륨 및 7.4 % SiF₄로 구성된 대기에서, 1460℃로 설정된 고온 존을 통해 14 mm/min에서 하향 구동된다. 그 후, 모재는 1255 그램의 SiO₂ 슈트가 화염 용착되는 선반 상에 놓이게 된다. 그 후, 조립체는 1000℃에서 헬륨 및 3 % 염소로 구성된 대기 내에 2 시간 동안 우선 건조함으로써 소결되고, 이어서 100 % 헬륨 대기에서 1500℃로 설정된 고온 존을 통하여 6 mm/min로 하향 구동된다. 이러한 공정은, GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어와, 실리카 제 1 클래딩 층과, 불소-도핑된 제 2 클래딩 층과, 그리고 실리카 외부 클래딩을 포함한 광 모재에 슈트를 소결시켰다. 그 후, 모재는 1000℃로 설정된 아르곤 퍼징 홀딩 오븐에서 24 시간 동안 놓이게 된다. 모재는, 약 8 cm 길이 및 대략 2000℃로 설정된 고온 존을 가진 인발노를 사용하여 10 m/s로 10 km 길이의 125 마이크론 직경 섬유로 인발된다. 섬유의 측정된 특징들은 표 5에 설명된다.

예시 32. GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어 (대략 포물선 형상을 가진, 순수 실리카에 대한 대략 0.93 % 최대 굴절률)를 포함한 일 미터 길이 x 18.08 mm 직경 모재는 외부 기상 증착을 위해 설계된 선반 상에 적재된다. 1255 그램의 SiO₂ 슈트는 화염 용착되고, 다음과 같이 소결된다. 조립체는 1000℃에서 헬륨 및 3 % 염소로 구성된 대기 내에 2 시간 동안 우선 건조되고, 이어서 100 % 헬륨 대기에서 1500℃로 설정된 고온 존을 통해 6 mm/min로 하향 구동된다. 이러한 공정은, GeO₂-SiO₂ 그레이드형 굴절률 코어와, 그리고 실리카 외부 클래딩을 포함한 광 모재에 슈트를 소결시켰다. 그 후, 모재는 1000℃로 설정된 아르곤 퍼징 홀딩 오븐에서 24 시간 동안 놓이게 된다. 모재는, 약 8 cm 길이 및 대략 2000℃로 설정된 고온 존을 가진 인발노를 사용하여 10 m/s로 10 km 길이의 125 마이크론 직경 섬유로 인발된다. 섬유의 측정된 특징들은 표 5에 설명된다.

표 5는, 다중 모드 섬유 (100)가 45 내지 65 마이크론의 코어 직경을 보이며 그리고 코어가 0.7% 내지 1.2%의 최대 상대 굴절률 (Δ1_MAX)을 가지는 예시들 29-32을 나타낸다. 예시들 29-31에서, 내부 환형부 (30)는 약 0.5보다 크고 약 4 마이크론보다 작은 폭 (W₂)을 포함한다. 대표 섬유 실시예들 29, 30 및 31에서, 1.98 ≤ α ≤ 2.04이다. 예시 32는 2.06보다 큰 알파 값을 가지며, 그리고 저하형 굴절률을 가진 내부 환형부를 포함하지 않으며, 그 결과 과충전된 대역폭은 1300 nm에서 2500 MHz-km 미만이다. 예시들 29-31의 과충전된 대역폭은 1300 nm에서 3750 MHz-km (3.75 GHz-km)보다 크며, 그리고 예시들 30 및 31에 있어, 1300 nm에서 7.5 GHz-km보다 크다. 예시 31의 과충전된 대역폭은 또한 1300 nm에서 10 GHz-km보다 크다. 이러한 실시예들의 개구수는 0.16 내지 0.24이며, 그리고 예시들 30 및 31에 대해 0.185 내지 0.215이다. 1310 nm에서의 감쇠는 예시들 29-31에 대해 0.7 dB km 미만이며, 예시들 30 및 31에 대해 0.5 dB/km 미만이다.

표들 6-9는 일반적으로 본 명세서에서 개시되고 도 1에서 도시된 본 발명에 따라서, 다중 모드 섬유들 예시들 33-53에 있어, 섬유 (100)의 실시예들에 대한 다양한 모델링된 특징들을 요약한다. 다중-모드 섬유들의 다양한 광 속성들은 굴절률 프로파일 파라미터들로 모델링된다. 이러한 파라미터들은 코어의 상대 굴절률 (Δ_1MAX), 외부 코어 반경 (R₁) 및 그레이드형 굴절률 알파 (α) 파라미터를 포함한다. 추가로, 파라미터들은 내부 환형부 (40)의 상대 굴절률 (Δ₂), 내부 환형부 (40)의 반경 (R₂) 및 내부 환형부 (40)의 폭 (W₂)을 포함한다. 나아가, 파라미터들은 저하형 굴절률 환형부 (50)의 최소 상대 굴절률 (Δ_3MAX), 및 저하형 굴절률 환형부 (50)의 외부 반경 (R₃)을 포함한다. 나아가, 계산은 1510 nm, 1520 nm, 1530 nm, 1540 nm, 1550 nm, 1560 nm, 1570 nm, 1580nm 및 1590 nm에서의 과충전된 대역폭과, 1550 nm에서의 분산 및 분산 기울기와, 1550 nm에서의 감쇠와, 마이크론 단위의 코어 직경과, 그리고 개구수를 포함한다. 표들 6-9의 예시들에서, 섬유는 (a) 1.95 내지 2.04의 (α) 값을 가진 코어, 및 (b) 내부 환형부 (40)의 최적화된 폭 (W₂)으로 인해, 1550 nm 윈도우에서 높게 과충전된 대역폭 (BW)을 가진다. 각각의 실시예에 대한 최적 폭은 코어, 내부 환형부 및 저하형 굴절률 환형부의 최대 상대 굴절률들에 의존한다. 이러한 굴절률 프로파일들은 1550 nm에서 2500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가능케 하며, 그리고 일부 바람직한 실시예들에서, 1310 nm에서의 과충전된 대역폭은 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1530 내지 1580 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1530 내지 1580 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 다른 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1520 내지 1590 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1520 내지 1590 nm의 파장 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 다른 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1510 내지 1590 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1510 내지 1590 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 일부 실시예들에서, 과충전된 대역폭은 1500 내지 1600 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크며, 그리고 바람직한 실시예들에서, 1500 내지 1600 nm의 범위 내의 모든 파장에서 3750, 5000 또는 심지어 7500 MHz-km보다 크다. 바람직하게, 과충전된 대역폭은 1500 nm 내지 1700 nm의 범위 내의 모든 파장에서 2500 MHz-km보다 크다.

도 3은 굴절률 프로파일을 예시한 도면이고 이때 섬유의 내부 환형부 (30)가 도 1에 대해 상술된 바와 같이, 굴절률 프로파일 (진하고/두꺼운 곡선)을 가진다. 도 3에 예시된 예시는 표 1에 제공된 예시 1에 따라 구성된 다중 모드 섬유이며, 그리고 그레이드형 굴절률 코어 및 상기 코어를 둘러싼 클래딩을 포함하고, 클래딩은 내부 환형부와, 상기 내부 환형부를 둘러싼 저하형 환형부와, 그리고 상기 저하형 환형부를 둘러싼 외부 환형부를 포함한다. 코어는 24.8 마이크론의 외부 반경 (R₁)을 가지며, 그리고 내부 환형부는 0.86 마이크론의 폭을 포함한다. 유리 코어 및 내부 클래딩은 서로 다른 알파 값들을 가진다. 도 3a는 굴절률 프로파일 (진한 곡선)과, 그리고 정규화된 (밝고/얇은 곡선) 굴절률 프로파일의 도함수를 예시한다.

도 4는 15mm의 직경을 가진 맨드릴 주위를 2 회 권취할 시에 예시들 30-32에 대해 측정된 굽힘 손실을 예시한다. 예시들 30 (정사각형들) 및 31 (삼각형들)은 저하형 굴절률을 가진 내부 환형 세그먼트를 포함하며, 그리고 1310 nm에서 0.5 dB 미만의 2x15mm 굽힘 손실을 가진다. 2x15mm 굽힘 손실은 또한 1260 내지 1400 nm의 모든 파장에서 0.5 dB 미만이다. 예시 32 (실선)는 저하형 굴절률을 가진 내부 환형 세그먼트를 포함하지 않으며, 그리고 1310 nm에서, 그리고 1260 내지 1400 nm의 모든 파장에서 약 0.7 dB보다 큰 2x15mm 굽힘 손실을 가진다.

도 5는 다중 모드 섬유 (100)를 이용한 광 전송 시스템의 일 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에 따라서, 다중-모드 광 섬유 (100)는 1200 nm 내지 1700nm (예를 들면, 1260nm 내지 1400nm 또는 1490 내지 1610nm)에서 동작하는 적어도 하나의 광원 (204)에 연결되며, 그리고 20 GHz보다 큰 비트율 (예를 들면, 25 GHz)로 변조된다. 섬유 (100)는 광학적인 다중 모드 광 섬유이며, 그리고 직경이 41 내지 80 ㎛인 그레이드형 굴절률 유리 코어와, 그리고 외부 클래딩부를 포함한 클래딩을 포함하며, 섬유는 1310 nm 또는 1550 nm의 파장에서 2.5 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭; 약 2.04 미만 (그리고 바람직하게 2.03 미만)의 알파; 5 ps/nm/km 미만의 분산 크기; 및 동작 파장 (예를 들면, 1310 nm, 또는 1550 nm)에서 0.7 dB/km 미만의 감쇠를 가진다. 수신기 또는 광-검출기 (210)는 광학적으로 다중 모드 광 섬유 (100)에 연결되며, 그리고 1200 nm보다 큰 파장, 예를 들어 1200nm 내지 1700 nm (예를 들면, 1260 nm 내지 1400 nm, 또는 1490 내지 1610nm)의 파장에서, 파장을 검출할 수 있도록 구조화된다.

일부 실시예들에 따라서, 광 섬유 (100)는 VCSEL에 연결되며, 그리고 VCSEL은 20 GHz보다 큰 비율로 변조된다. 일부 실시예들에 따라서, 광 섬유 (100)는 1200 nm 내지 1400 nm 범위에서 또는 1260 내지 1400 nm 범위 (예를 들면, 1260 내지 1360 nm, 1260 nm, 1290 nm, 1310 nm, 1330 nm, 1350 nm, 1370 nm, 또는 1400 nm)에서 동작하는 실리콘-포토닉 광원 (silicon-photonics optical source)에 연결된다. 이로써, 표 1 내지 9의 대표 섬유들 1-28은 광 전송 시스템에서 사용되기에 적합하다. 일 실시예에 따라서, 시스템 (200)은 다음을 포함한다: (i) 적어도 하나의 광원 (206) (예를 들면, VCSEL 또는 실리콘-포토닉 레이저)을 포함한 송수신기 - 광원은 1200 내지 1400 nm (예를 들면, 1260 내지 1400 nm, 또는 1260 내지 1360 nm, 또는 1270 내지 1350 nm, 또는 1280 내지 1340 nm)의 하나 이상의 파장에서 25 GHz 또는 그보다 높은 (그리고 바람직하게, 일부 실시예들에 따라서, 40 GHz 또는 그보다 높은) 비트율로 변조됨-; (ii) 적어도 하나의 다중 모드 광 섬유 (100); 및 (iii) 적어도 하나의 광검출기 (210)를 포함한 수신기. 일 실시예에서, 송수신기는 도 5에 도시된 바와 같이, 25 GHz 이상의 비트율로 변조된 N개의 광원들을 포함한다. 송수신기는 또한, 25 GHz 이상의 비트율로 적어도 하나의 광원을 변조시키는 적어도 하나의 외부 변조기 (208)를 포함할 수 있다. 송수신기는, N개의 광원들로부터 단일 도파관으로의 N 개의 파장을 다중화시키는 다중화기 (Mux) (212)를 추가로 포함할 수 있다. 수신기는 광 신호를 N 파장 개의 파장으로 역다중화시키며, 그리고 이들을 N 광검출기들 (210)에 광학적으로 연결시키는 역다중화기 (Demux) (212)를 추가로 포함할 수 있다. 광검출기 (210)는 광학적으로 다중 모드 광 섬유 (100)에 연결되며, 그리고 1200 내지 1700 nm 파장 범위의 파장을 검출할 수 있다.

일부 실시예들에 따라서, 광 섬유 (100)는 그레이드형 굴절률 유리 코어와, 상기 코어를 둘러싼 내부 클래딩 영역과, 그리고 외부 클래딩을 포함하며, 그리고 5 GHz-km보다 큰, 1260 내지 1400 nm 파장 범위 내에 속한 동작 파장에서의 과충전된 대역폭; 약 2.04 미만의, 그리고 바람직하게 2.02 미만의 알파; 10 ps/nm/km 미만의 분산 크기; 및 동작 파장에서 0.7 dB/km 미만의 감쇠를 가진다. 다른 실시예들에 따라서, 광 섬유 (100)는 그레이드형 굴절률 유리 코어와, 상기 코어를 둘러싼 내부 클래딩 영역와, 그리고 외부 클래딩을 포함하며, 그리고 5 GHz-km보다 큰, 1490 내지 1610 nm 파장 범위 내에 속한 동작 파장에서의 과충전된 대역폭; 약 2.04 미만의, 그리고 바람직하게 2.02 미만의 알파; 10 ps/nm/km 미만의 분산 크기; 및 동작 파장에서 0.7 dB/km 미만의 감쇠를 가진다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 광원 (206) (예를 들면, VCSEL 또는 실리콘-포토닉 레이저)은 적어도 30GHz, 일부 실시예들에서, 적어도 35 GHz 또는 37 GHz에서, 일부 실시예들에서, 적어도 40 GHz, 그리고 일부 실시예들에서 적어도 45 GHz의 비트율로 변조된다. 섬유의 일부 실시예들은 1260 내지 1360 nm의 하나 이상의 파장에서 4.7 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지며, 그리고 섬유의 일부 실시예들은 1290 내지 1330 nm의 모든 파장에서 4.7 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지며; 그리고 섬유의 일부 실시예들은 1270 내지 1350 nm의 모든 파장에서 4.7 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가진다.

주목하는 바와 같이, VCSELS와는 다른 광원들 또한 이용될 수 있되, 예를 들어, 1200 내지 1700, 예를 들어 1200nm 내지 1400 nm, 또는 1260 nm 내지 1400 nm (예를 들면, 1260 nm 내지 1360 nm); 또는 1490 내지 1700nm, 예를 들어 1490 내지 1610nm의 파장에서 동작하는 하이브리드 실리콘 레이저들 (예를 들면 실리콘-포토닉 레이저들)이 이용될 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저들은 예를 들어, 미리 패턴화된 실리콘 포토닉 칩에 직접 인화 인듐 기반 웨이퍼 (Indium Phosphide based wafer)를 접합시킴으로써 이루어진다. 이러한 기술은 예를 들어, 문헌[the publication by A. W. Fang et al., "Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser," Optics Express vol. 14, pp. 9203-9210 (October 2006)]에 기술된다. 전압이 접합된 칩에 인가될 시에, 인화 인듐 기반 물질로부터 발생된 광은 실리콘 도파관에 직접 연결되어, 하이브리드 실리콘 레이저 (206)를 생성한다. 이러한 기술의 주요 이점들 중 하나는 단일 칩 상에 다수의 레이저들을 통화시킬 수 있는 능력이며, 그리고 이러한 레이저들로부터의 출력은 다중 모드 섬유 (100)에 연결될 단일 출력에 다중화될 수 있다. 예를 들어, 1250-1370 nm 범위 내의 2 개, 4 개, 8 개 또는 16 개의 파장은 25 GHz 이상의 비트율로 변조되고, 단일 출력 채널로 다중화되며, 그리고 그 후에 다중 모드 섬유 (100)의 입력 말단에 광학적으로 연결될 수 있다. 다중 모드 섬유 (100)의 출력 말단은 수신기에 광학적으로 연결되고, 이때 상기 수신기는 1200 내지 1700 nm 범위 (예를 들면, 1250-1370 nm 범위, 또는 1490 내지 1610nm) 내의 2 개, 4 개, 8 개 또는 16 개의 파장을 역다중화시키며, 그리고 광 신호를 검출할 수 있는 광검출기들에 이들을 광학적으로 연결시킨다.

상기와 같은 시스템의 일 실시예는 예를 들어 다음을 포함한다: (i) 적어도 하나의 VCSEL (206) - VCSEL은 1260 내지 1360 nm의 하나 이상의 파장에서 25 GHz 이상 (그리고 바람직하게, 일부 실시예들에 따라서, 40 GHz 이상)의 비트율로 전송됨 -; (ii) 다중 모드 광 섬유 (100); 및 (iii) 적어도 하나의 광검출기 (210). 다중 모드 섬유 (100)는, 예를 들어, 그레이드형 굴절률 유리 코어 (20); 상기 코어를 둘러싸고, 상기 코어에 접촉하는 내부 클래딩부 (30); 및 내부 클래딩부 (30)을 둘러싼 저하형-굴절률 환형 클래딩부 (40)를 포함하고, 저하형 굴절률 환형부 (40)는 약 -0.2 % 미만의 상대 굴절률 델타 및 적어도 1 마이크론의 폭을 가지고, 코어 (20)는 20.5 마이크론보다 크고 40 마이크론보다 작은 반경, 0.6% 내지 1.6% (바람직하게, 0.8% 내지 1.3%)의 최대 상대 굴절률, 및 약 2.04 미만 (바람직하게 2.03 미만)의 알파를 가진다. 다중 모드 섬유 (100)는 1260 nm 내지 1360 nm 또는 1500 내지 1600nm의 하나 이상의 파장에서, 4.7 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭, 10 ps/nm/km 미만의 분산 크기 및 0.7 dB/km 미만의 감쇠를 가진다.

상술된 시스템 실시예는 다음의 이점 중 하나 이상을 가진다: 에너지 효율성 및 비트율. 전력 소비는 최신 데이터 센터들에서 심각한 문제이며, 그리고 VCSEL들 (≥1200nm, 또는 ≥1260nm, 또는 다른 소스들) 등의 보다 긴 파장 (≥1200nm)의 광원들을 이용한 보다 장거리 시스템들은 다중 모드 광 섬유 (100)와 함께, 850 nm에서 동작하는 전송 시스템들에 직면된 에너지 소비 문제점들의 일부를 완화시킨다. 게다가, 전송 시스템의 동작 파장이 약 850 nm인 경우에, 35 GHz-km를 초과하는 시스템의 속도를 증가시키는 것에 대한 현저한 장애가 나타나 있다. 보다 긴 파장 광원들 (예를 들면,≥1300nm), 예를 들어, 다중 모드 광 섬유 (100)와 함께, In-Ga-As 반도체들에 기반한 VCSEL들을 이용하는 것은 현재 이용가능한 것보다 전송 속도를 현저하게 높인 (예를 들어, ≥20 GHz, 또는 ≥25 GHz, 또는 ≥35 GHz, 또는 심지어 ≥40 GHz) 전송 시스템들을 가능케 한다.

기술 분야의 통상의 기술자에게 있어 명백한 바와 같이, 다양한 변형 및 변화는 청구항의 권리 범위 및 기술 사상에 벗어남 없이 구현될 수 있다.

Claims

41 마이크론 내지 80 마이크론의 범위 내의 직경과, 1.9 ≤ α ≤ 2.04인 알파 프로파일을 갖는 그레이드형 굴절률과, 그리고 0.6% 내지 1.8%의 범위 내의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 갖는 그레이드형 굴절률 유리 코어; 및
상기 코어를 둘러싸고 상기 코어에 접촉하는 클래딩 - 상기 클래딩은 상기 코어를 둘러싸고 상기 코어에 접촉하며, 1차 도함수 (d(Δ/Δ_1MAX)/d(r/R₁))가 -2.5인 반경 (R₂)에서 측정된 상대 굴절률 델타 (Δ₂)를 가지는 내부 환형부를 포함함 -; 및
상기 내부 환형부를 둘러싼 저하형 굴절률 환형부;를 포함하며,
상기 섬유는 1260 nm 내지 1610 nm의 적어도 하나의 파장에서 2500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭(overfilled bandwidth)을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1에 있어서,
(i) 상기 섬유 코어는 개구수 (NA)를 가지며, 그리고 0.16 < NA < 0.26이고; (ii) 상기 클래딩은 상기 저하형 굴절률 환형부를 둘러싸고 상기 저하형 굴절률 환형부에 접촉하는 외부 환형부를 포함하며; 그리고 (iii) 상기 섬유는 1310 nm에서 3750 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
(i) 상기 섬유 코어는 개구수 (NA)를 가지며, 그리고 0.16 < NA < 0.26이고; (ii) 상기 클래딩은 상기 저하형 굴절률 환형부를 둘러싸고 상기 저하형 굴절률 환형부에 접촉하는 외부 환형부를 포함하며; 그리고 (iii) 상기 섬유는 1550 nm에서 3750 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1에 있어서,
상기 저하형 굴절률 환형부는 -0.2 % 미만의 최소 상대 굴절률 (Δ_3MIN) 및 적어도 1 마이크론의 폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 3에 있어서,
상기 저하형 굴절률 환형부는 -0.25% 내지 -0.7%의 상대 최소 굴절률 (Δ_3MIN)을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어는 0.7% 내지 1.2%의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 코어의 개구수는 0.17 ≤ NA ≤ 0.23의 범위인 다중 모드 광 섬유.
청구항 1, 청구항 5, 청구항 6, 또는 청구항 7에 있어서,
상기 섬유는: (i) 1260 nm 내지 1360 nm; 또는 (ii) 1520 내지 1580 nm의 모든 파장에 대해 2500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1, 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 섬유는: (i) 1270 nm 내지 1350 nm, 또는 (ii) 1530 nm 내지 1570 nm의 모든 파장에 대해 3750 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1에 있어서,
상기 섬유는 1310 nm 또는 1550 nm에서 5000 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1에 있어서,
상기 섬유는 1310 nm에서 7500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 11에 있어서,
상기 섬유는 1270 nm 내지 1350 nm의 모든 파장에 대해 5000 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1에 있어서,
상기 섬유는 1550 nm에서 7500 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 13에 있어서,
상기 섬유는 1520 nm 내지 1580 nm의 모든 파장에 대해 5000 MHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 다중 모드 광 섬유.
청구항 1, 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 코어는 2.02 미만의 알파를 가지는 다중 모드 광 섬유.
(i) 1200 내지 1700 nm의 하나 이상의 동작 파장에서 25 GHz 이상의 비트율에서 전송하는 적어도 하나의 광원;
(ii) 상기 광원에 광학적으로 연결되는 적어도 하나의 다중 모드 광 섬유 - 상기 섬유는, 41 내지 80 ㎛의 직경의 그레이드형 굴절률 유리 코어와, 그리고 외부 클래딩부를 포함한 클래딩을 포함하고, 상기 섬유는 1200 nm 내지 1700 nm의 적어도 하나의 파장에서 2.5 GHz-km보다 큰 과충전된 대역; 약 2.04 미만의 알파; 및 10 ps/nm/km 미만의 분산 크기 및 상기 하나 이상의 동작 파장에서 0.7 dB/km 미만의 감쇠를 가짐-; 및
(iii) 상기 다중 모드 광 섬유에 광학적으로 연결되며, 그리고 1200 nm 내지 1700 nm의 파장을 검출할 수 있는 검출기;를 포함하는 시스템.
청구항 16에 있어서,
상기 코어는 20.5 마이크론보다 크며 그리고 40 마이크론보다 작은 반경, 0.6% 내지 1.6%의 최대 상대 굴절률 (Δ_1MAX)을 가지며, 그리고 상기 섬유는: (i) 1200 nm 내지 1400 nm; 또는 (ii) 1500 내지 1600 nm의 하나 이상의 파장에서 5.0 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 시스템.
청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
상기 클래딩은 상기 코어를 둘러싸고 상기 코어에 접촉하며, 1차 도함수 (d(Δ/Δ_1MAX)/d(r/R₁))가 -2.5인 반경 (R₂)에서 측정된 상대 굴절률 델타 (Δ₂)를 가지는 내부 환형부; 및
상기 내부 클래딩부를 둘러싼 저하형 굴절률 환형부;를 포함하며;
상기 저하형 굴절률 환형부는 약 -0.2 % 미만의 상대 굴절률 델타 (Δ_3MIN) 및 적어도 1 마이크론의 폭을 가지며, 그리고 상기 섬유는 1200 내지 1400 nm, 또는 1500 nm 내지 1600 nm의 하나 이상의 파장에서 5.0 GHz-km보다 큰 과충전된 대역폭을 가지는 시스템.
청구항 16에 있어서,
상기 적어도 하나의 광원은 적어도 하나의 VCSEL인 시스템.
청구항 16에 있어서,
상기 적어도 하나의 광원은 적어도 하나의 실리콘-포토닉 레이저인 시스템.