KR20170009956A - 초저감쇠 대유효면적의 단일모드 광섬유 - Google Patents

초저감쇠 대유효면적의 단일모드 광섬유 Download PDF

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Abstract

초저감쇠 대유효면적의 단일모드 광섬유는 코어층과 클래딩층을 포함하여, 코어층의 외측은 안에서 바깥으로 순차적으로 내부 클래딩층, 함몰 클래딩층, 보조 외부 클래딩층과 외부 클래딩층이 피복되며, 코어층의 반경(r1)은 4.8~6.5㎛이고, 코어층의 상대 굴절률차 Δn1은 -0.06%~0.10%이며; 내부 클래딩층의 반경(r2)은 9~15㎛이고, 상대 굴절률차 Δn2는 -0.40%~-0.15%이며, 함몰 내부 클래딩층의 반경(r3)은 12~17㎛이고, 상대 굴절률차 Δn3은 -0.8%~-0.3이며, 보조 외부 클래딩층의 반경(r4)은 37~50㎛이고, 상대 굴절률차 Δn4 범위는 -0.6%~-0.25%이며; 외부 클래딩층은 순수 이산화규소 유리층이다. 상기 단일모드 광섬유는 비교적 낮은 감쇠 계수와 비교적 큰 유효면적을 구비할 뿐만 아니라, 제조비용이 저렴하고, 또한 응용 대역에서 광섬유의 차단 파장, 벤딩 손실, 색 분산 등 종합 성능 파라미터가 양호하다.

Description

초저감쇠 대유효면적의 단일모드 광섬유{SINGLE-MODE FIBER WITH ULTRA-LOW ATTENUATION AND LARGE EFFECTIVE AREA}
본 발명은 광섬유 전송 기술분야에 관한 것으로서, 구체적으로 초저감쇠 대유효면적을 갖는 단일모드 광섬유에 관한 것이다.
IP 네트워크 데이터 서비스가 급속히 성장함에 따라, 운영업체의 전송용량에 대한 수요가 부단히 상승하여, 현재 통신망 중, 단섬유 용량은 이미 점차 극한값인 100Tbps에 근접하였고, 100G 전송 시스템은 이미 상용 원년에 진입하기 시작하였다. 어떻게 100G 전송 신호를 기초로 전송 용량을 더욱 증가시킬 것인가 하는 문제는 각 시스템 업체와 운영업체들이 집중적으로 주목하는 대상이다.
100G와 울트라 100G 시스템에서, 수신단은 코히런트 수신 및 디지털 신호 처리 기술(DSP)을 이용하여 전기 영역에서 전체적인 전송 과정 중 누적된 색 분산과 편광모드 분산(PMD)을 디지털 보상할 수 있고; 신호는 편광 모드 다중 및 각종 고차변조 방식, 예를 들어 PM-QPSK, PDM-16QAM, PDM-32QAM, 심지어 PDM-64QAM 및 CO-OFDM을 통해 신호의 보 레이트를 저하시킨다. 그러나 고차 변조방식은 비선형 효과에 대단히 민감하기 때문에, 광신호대 잡음비(OSNR)에 대하여 더욱 높은 요구가 제기된다. 저손실 대유효면적 광섬유를 도입하면, 고출력밀도 시스템을 채택 시 시스템에 OSNR을 높이고 비선형 효과를 저하시키는 효과를 가져올 수 있으며, 비선형 계수는 비선형 효과가 초래하는 시스템 성능 우열을 평가하기 위한 파라미터로서, 이는 n2/Aeff로 정의된다. 그 중, n2는 전송 광섬유의 비선형 굴절지수이고, Aeff는 전송 광섬유의 유효면적이다. 전송 광섬유의 유효면적을 증가시키면 광섬유 중의 비선형 효과를 저하시킬 수 있다.
현재, 지상 전송 시스템 선로용 보통 단일모드 광섬유는 그 유효면적이 약 80um2 정도에 불과하다. 지상 장거리 전송 시스템에서는, 광섬유의 유효면적에 대한 요구가 더욱 높으며, 일반적인 유효면적은 100um2 이상이다. 포설 비용을 절감하기 위해서는 가능한 한 중계기의 사용을 줄여야 하며, 해저 전송 시스템과 같이 중계 전송 시스템이 없는 경우, 전송 광섬유의 유효면적은 130um2 이상인 것이 바람직하다. 그러나 현재 대유효면적 광섬유의 굴절률 단면 설계에서, 종종 광신호 전송용 광학 코어층의 직경을 증가시킴으로써 대유효면적을 획득하는데, 이러한 방안에는 일정 정도 설계의 어려움이 존재한다. 한편으로는, 광섬유의 코어층과 코어층에 가까운 클래딩층은 주로 광섬유의 기본 성능을 결정하고, 또한 광섬유 제조 비용 중 비교적 큰 비중을 차지하여, 설계된 반경 크기가 지나치게 클 경우, 필연적으로 광섬유의 제조비용이 증가하게 되어 광섬유 가격을 상승시키므로, 이러한 광섬유의 보편적인 응용에 장애가 될 수 있다. 다른 한편으로, 보통 단일모드 광섬유에 비해, 광섬유 유효면적의 증가는 광섬유의 기타 파라미터들의 악화를 초래할 수 있다. 예를 들어, 광섬유 차단파장이 커질 수 있는데, 광섬유의 차단파장이 지나치게 클 경우, 전송 대역 중 광섬유 광신호의 단일모드 상태를 보장하기 어렵고; 이밖에, 광섬유 굴절률 단면의 설계가 적절하지 않을 경우, 벤딩 성능, 색 분산 등 파라미터의 악화를 더 초래할 수 있다.
장거리 대용량 전송을 제한하는 또 다른 광섬유의 특성은 바로 감쇠로서, 현재 통상적인 G.652.D 광섬유의 감쇠는 일반적으로 0.20dB/km이며, 레이저 에너지는 장거리 전송을 거친 후 점차 감소하기 때문에 중계 형식을 이용하여 신호를 다시 증폭시켜야 한다. 광섬유 광케이블의 원가와 비교하여, 중계국의 관련 장치와 유지 비용은 전체 링크 시스템의 70% 이상이며, 따라서 저감쇠 또는 초저감쇠 광섬유를 설계한다면, 전송 거리를 효과적으로 연장할 수 있고, 건설 및 유지 비용을 감소시킬 수 있을 것이다. 관련 계산을 통해, 광섬유의 감쇠를 0.20으로부터 0.16dB/km까지 낮출 경우, 전체 링크의 건설비용은 총체적으로 30% 정도 절감될 것이다.
상기 내용을 종합해보면, 초저감쇠 대유효면적 광섬유 설계의 개발은 광섬유 제조 분야의 중요한 과제이다. 문헌 US2010022533은 대유효면적 광섬유 설계를 제시하였으며, 보다 낮은 레일리 계수를 획득하기 위하여, 순수 실리카 코어 설계를 이용하여, 코어층에 게르마늄과 불소 코도핑을 실시하지 않고, 또한 그 설계는 불소 도핑된 이산화규소를 외부 클래딩층으로 사용한다. 이러한 순수 실리카 코어 설계의 경우, 광섬유 내부에 반드시 복잡한 점도 매칭의 실시가 요구되고, 또한 고속 와이어 드로잉이 광섬유 내부에 결함을 초래하여 야기되는 감쇠의 증가를 피하기 위하여, 와이어 드로잉 과정에서 극저속이 요구되고, 제조 공정이 매우 복잡하다.
문헌 EP2312350은 계단형 함몰 클래딩층 구조 설계를 이용한 비순수 실리카 코어로 설계되는 대유효면적 광섬유 설계를 제시하였고, 또한 순수 이산화규소 외부 클래딩층 구조를 채택한 설계는 관련 성능이 대유효면적 광섬유 G.654.B와 D의 요구에 부합할 수 있다. 그러나 그 설계 중 불소 도핑된 클래딩층 부분의 최대 반경이 36um으로, 비록 광섬유의 차단파장이 1530nm보다 작거나 같도록 보장할 수는 있으나, 비교적 작은 불소 도핑 반경의 영향으로 인해, 광섬유의 마이크로 및 매크로 벤딩 성능이 나빠지기 때문에, 광섬유의 케이블화 과정에서 감쇠의 증가를 초래할 수 있으며, 그 문헌에서는 또한 관련 벤딩 성능을 언급하지 않았다.
문헌 CN10232392A는 더욱 큰 유효면적을 갖는 광섬유를 설명하였다. 상기 발명의 상기 광섬유의 유효면적은 비록 150um2 이상에 달하나, 통상적인 게르마늄 불소 코도핑 방식의 코어층 설계를 채택하였고, 또한 차단 파장의 성능 지표를 희생하여 구현되는 것이므로, 상기 발명은 1450nm 이상의 광케이블 차단 파장을 허용하며, 그 실시예에서, 케이블화 차단 파장은 심지어 1800nm 이상에 달한다. 실제 응용에서, 지나치게 높은 차단 파장은 광섬유의 응용 대역 중 차단을 보장하기 어렵고, 전송 시 광신호의 단일 모드 상태를 보장할 수 없다. 따라서, 상기 유형의 광섬유는 응용에 있어 일련의 실제적인 문제에 부딪힐 가능성이 있다. 이밖에, 상기 발명에 열거된 실시예 중, 함몰 클래딩층의 외경(r3)이 가장 작은 것은 16.3um으로서, 마찬가지로 큰 편이다. 상기 발명은 광섬유 파라미터(예를 들어 유효면적, 차단 파장 등)와 광섬유 제조 원가 면에서 최적의 조합을 얻을 수 없다.
이하는 본 발명과 관련된 약간의 용어에 대한 정의와 설명이다.
상대 굴절률차
Figure pct00001
:
광섬유 코어축으로부터 계산하기 시작하며, 굴절률의 변화에 따라, 축선에 가장 가까운 층을 섬유 코어층으로 정의하고, 광섬유의 최외층인 순수 이산화규소층은 광섬유 외부 클래딩층으로 정의한다.
광섬유의 각층의 상대굴절률 Δni는 이하 방정식으로 정의하며,
Figure pct00002
그 중, ni는 섬유 코어의 굴절률이고, nc는 클래딩층의 굴절률, 즉 순수 이산화규소의 굴절률이다.
광섬유의 유효면적 Aeff:
Figure pct00003
그 중 E는 전파와 관련된 전기장이고, r은 축심에서 전기장 분포점 사이의 거리이다.
광케이블 차단파장 λcc:
IEC(국제 전기기술 위원회) 표준 60793-1-44 중, 광케이블 차단파장 λcc은 광케이블 중 광신호가 22m만큼 전송된 후 더 이상 단일모드 신호로써 전파되지 않는 파장이라고 정의하였다. 테스트 시 광섬유에 대해 반경이 14cm인 원을 한 바퀴 감고, 반경이 4cm인 원을 두 바퀴 감아 데이터를 획득한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술 문제는 케이블 차단 파장이 1530nm 미만이고, 또한 비교적 양호한 벤딩 손실과 색 분산 성능을 구비하여, 광섬유 제조비용이 비교적 저렴한 초저감쇠 대유효면적을 갖는 광섬유를 설계하고자 하는데 있다.
본 발명이 상기 문제를 해결하기 위해 채택한 기술방안은 다음과 같다. 코어층과 클래딩층을 포함하며, 상기 코어층의 반경(r1)은 4.8~6.5㎛이고, 코어층의 상대 굴절률차 Δn1은 -0.06%~0.10%이며, 코어층 외측에 안에서 바깥으로 순차적으로 내부 클래딩층, 함몰 클래딩층, 보조 외부 클래딩층과 외부 클래딩층이 피복되고, 상기 광섬유의 내부 클래딩층의 반경(r2)은 9~15㎛이고, 상대 굴절률차 Δn2는 -0.40%~-0.15%이며, 상기 함몰 내부 클래딩층의 반경(r3)은 12~17㎛이고, 상대 굴절률차 Δn3은 -0.8%~-0.3이며, 상기 보조 외부 클래딩층의 반경(r4)은 37~50㎛이고, 상대 굴절률차 Δn4 범위는 -0.6%~-0.25%이며; 상기 외부 클래딩층은 순수 이산화규소 유리층인 것을 특징으로 한다.
상기 방안에 따르면, 광섬유의 코어층은 게르마늄 불소 코도핑된 이산화규소 유리층이거나, 또는 게르마늄 도핑된 이산화규소 유리층이며, 그 중 게르마늄의 도핑 기여량은 0.02%~0.10%이다.
상기 방안에 따르면, 상기 내부 클래딩층의 상대 굴절률차 Δn2는 -0.32%~-0.21%이다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1550nm 파장에서의 유효면적은 100~140㎛2이고, 바람직한 조건 하에서는 119~140㎛2이다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 케이블화 차단 파장은 1530nm보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1550nm 파장 부위에서의 색 분산은 23ps/nm*km보다 작거나 같고, 상기 광섬유의 1625nm 파장 부위에서의 색 분산은 27ps/nm*km보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1550nm 파장 부위에서의 감쇠 손실은 0.185dB/km보다 작거나 같고; 바람직한 조건 하에서는 0.175dB/km보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1700nm 파장 부위에서의 마이크로벤딩 손실은 5dB/km보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유는 1550nm 부위에서, R15mm 벤딩 반경으로 10바퀴 구부리는 매크로벤딩 손실은 0.25dB보다 작거나 같고, R10mm 벤딩 반경으로 1바퀴 구부리는 매크로벤딩 손실은 0.75dB보다 작거나 같다.
본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다.
1. 게르마늄 도핑된 코어층 설계를 채택하고, 광섬유 내부의 점도 매칭을 합리적으로 설계하여 광섬유 제조 과정에서의 결함을 감소시키고, 광섬유의 감쇠 파라미터를 저하시켰다. 2. 합리적인 광섬유 불소 도핑 함몰 구조를 설계함과 아울러, 광섬유의 각 섬유 코어층 단면의 합리적인 설계를 통하여, 광섬유가 100um2보다 크거나 같은 유효면적을 구비하도록 함으로써, 바람직한 파라미터 범위하에, 130um2보다 크거나 같고, 심지어 140um2보다 큰 유효면적을 획득할 수 있도록 하였다. 3. 본 발명은 응용 대역에서 차단 파장, 벤딩 손실, 색 분산 등 종합 성능 파라미터가 양호하고, 충분히 작은 케이블화 차단 파장은 C 대역 전송 응용 중 이러한 광섬유의 광신호의 단일모드 상태를 보장하며, 광섬유 단면은 계단형 함몰 클래딩층 구조를 채택하여, 기본 모드 누설을 제한하기 위한 비교적 넓은 함몰 클래딩층 구조를 구비하며, 광섬유의 벤딩손실에 대해 비교적 양호한 개선 작용을 갖는다. 4. 최외층의 외부 클래딩층 구조는 순수 이산화규소의 설계를 채택하여, 광섬유 중 불소 도핑 유리의 비중을 낮춤으로써 광섬유 제조 생산비용이 절감되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 굴절률 단면 구조 분포도이다.
이하 실시예를 결합하여 상세히 설명한다.
코어층과 클래딩층을 포함하며, 상기 코어층은 게르마늄 불소 코도핑된 이산화규소 유리층이거나, 또는 게르마늄 도핑된 이산화규소 유리층이며, 코어층의 외측은 안에서 바깥으로 순차적으로 내부 클래딩층, 함몰 내부 클래딩층, 보조 외부 클래딩층과 외부 클래딩층이 피복된다.
표 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 굴절률 단면 파라미터로서, 그 중 ΔGe는 코어층 중 Ge의 도핑량이다. 표 2는 표 1의 상기 광섬유에 대응되는 광전송 특성이다.
본 발명의 실시예의 광섬유 단면 파라미터
번호 r1[um] Δn1[%] 코어층ΔGe[%] r2[um] Δn2[%] r3[um] Δn3[%] r4[um] Δn4[%]
1 5.5 0.04 0.08 11 -0.23 13.5 -0.52 42 -0.35
2 5.4 0.02 0.02 11.5 -0.23 15.5 -0.4 48 -0.38
3 6 0 0.05 12.5 -0.25 15.5 -0.45 45 -0.4
4 5.3 0.03 0.05 11 -0.24 14.5 -0.6 38 -0.28
5 5.2 0.08 0.10 10.5 -0.17 14 -0.38 41 -0.26
6 6 0.05 0.08 13 -0.2 16 -0.55 40 -0.42
7 5.3 0 0.08 10 -0.26 12.8 -0.51 46 -0.47
8 5.5 -0.06 0.02 13 -0.38 16.5 -0.75 47 -0.57
9 6.3 -0.04 0.03 12 -0.32 13.7 -0.65 44 -0.5
10 4.8 -0.02 0.04 14.5 -0.23 16.5 -0.63 42 -0.3
본 발명의 실시예의 광섬유 파라미터
번호 MFD
@1550		 Aeff Cable Cutoff Disp
@1550		 Disp
@1625		 Att.
@1550nm		 Microbend
@1700nm		 R15mm-10turn
Macrobend
@1550nm		 R10mm-1turn
Macrobend
@1550nm
1 12.95 141.0 1442 21.0 25.6 0.169 3.4 0.18 0.54
2 12.70 131.7 1464 20.5 24.9 0.163 2.9 0.08 0.25
3 12.70 131.7 1431 21.2 25.6 0.167 3.7 0.20 0.62
4 11.47 107.5 1504 21.1 25.6 0.173 4.0 0.14 0.41
5 12.08 119.2 1450 21.1 25.6 0.181 4.1 0.15 0.45
6 12.70 131.7 1480 21.3 25.8 0.178 3.1 0.14 0.43
7 11.72 112.2 1438 20.8 25.2 0.181 4.2 0.21 0.63
8 11.56 109.2 1522 21.0 25.4 0.169 2.4 0.09 0.29
9 12.36 124.8 1389 21.4 25.8 0.171 4.6 0.23 0.72
10 12.59 129.5 1460 19.0 23.5 0.177 3.7 0.19 0.57

Claims (8)

  1. 코어층과 클래딩층을 포함하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유에 있어서,
    상기 코어층의 반경(r1)은 4.8~6.5㎛이고, 코어층의 상대 굴절률차 Δn1은 -0.06%~0.10%이며; 코어층의 외측은 안에서 바깥으로 순차적으로 내부 클래딩층, 함몰 클래딩층, 보조 외부 클래딩층과 외부 클래딩층이 피복되고, 상기 광섬유의 내부 클래딩층의 반경(r2)은 9~15㎛이고, 상대 굴절률차 Δn2는 -0.40%~-0.15%이며; 상기 함몰 내부 클래딩층의 반경(r3)은 12~17㎛이고, 상대 굴절률차 Δn3은 -0.8%~-0.3이며; 상기 보조 외부 클래딩층의 반경(r4)은 37~50㎛이고, 상대 굴절률차 Δn4 범위는 -0.6%~-0.25%이며; 상기 외부 클래딩층은 순수 이산화규소 유리층인 것을 특징으로 하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유의 코어층은 게르마늄 불소 코도핑된 이산화규소 유리층이거나, 또는 게르마늄 도핑된 이산화규소 유리층이며, 그 중 게르마늄의 도핑 기여량은 0.02%~0.10%인 것을 특징으로 하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1550nm 파장에서의 유효면적은 100~140㎛2인 것을 특징으로 하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광섬유의 케이블화 차단 파장은 1530nm보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1550nm 파장 부위에서의 색 분산은 23ps/nm*km보다 작거나 같고, 상기 광섬유의 1625nm 파장 부위에서의 색 분산은 27ps/nm*km보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1550nm 파장 부위에서의 감쇠 손실은 0.185dB/km보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1700nm 파장 부위에서의 마이크로벤딩 손실은 5dB/km보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광섬유는 1550nm 부위에서, R15mm 벤딩 반경으로 10바퀴 구부리는 매크로벤딩 손실은 0.25dB보다 작거나 같고, R10mm 벤딩 반경으로 1바퀴 구부리는 매크로벤딩 손실은 0.75dB보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 대유효면적 단일모드 광섬유.

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