KR20170104625A - 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유 - Google Patents

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Abstract

초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유는 코어층와 클래딩층을 포함한다. 코어층의 반경(r1)은 3.0~3.9㎛이고, 코어층의 상대굴절률(Δn 1 )은 -0.04%~0.12%이며, 코어층의 외측은 안에서 바깥으로 순차적으로 내부 클래딩층, 함몰 내부 클래딩층, 보조 외부 클래딩층과 외부 클래딩층이 피복되고, 내부 클래딩층의 반경(r2)은 8~14㎛이고, 상대굴절률(Δn 2 )은 -0.35%~-0.10%이며, 함몰 내부 클래딩층의 반경(r3)은 14~20㎛이고, 상대굴절률(Δn 3 )은 -0.6%~-0.2%이며, 보조 외부 클래딩층의 반경(r4)은 35~50㎛이고, 상대굴절률(Δn 4 ) 범위는 -0.4%~-0.15%이다. 본 광섬유는 비교적 낮은 감쇠계수와 탁월한 굴곡 성능을 구비하며, 광섬유의 각 코어층 단면의 합리적인 설계를 통해, 광섬유가 8.4보다 크거나 같은 MFD를 구비하도록 하였다. 본 광섬유의 컷오프 파장, 벤딩 손실, 색분산 등 파라미터는 응용 파장밴드에서 양호하며, G657.A2 표준과 호환될 수 있다.

Description

초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유
본 발명은 광통신 전송 시스템에 사용되는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유에 관한 것으로서, 상기 광섬유는 낮은 감쇠와 탁월한 굴곡 강화 특성을 구비할 뿐만 아니라, 모드필드 직경이 G.657.A2 표준과 호환되며, 광통신 기술 분야에 속한다.
광섬유 통신은 용량이 크고, 전송 거리가 멀며, 전송 속도가 빠르고, 경제적이라는 등의 특징으로 인해 이미 장거리 네트워크 또는 접속 네트워크에 광범위하게 응용되고 있다. 광섬유 통신 기술의 발전은 줄곧 보다 빠른 전송 속도, 보다 큰 용량 및 보다 먼 전송 거리를 목표로 하여, 광섬유의 성능 지표 및 광섬유의 통신 기술을 부단히 향상 및 개선시키고 있다. 특히 최근 몇 년간, IP 서비스량의 폭발적인 성장을 따라, 통신 네트워크는 차세대 지속 가능한 발전 방향으로 매진하기 시작하였다. 막대한 전송 용량과 거리를 갖는 광섬유 기초 시설의 구축은 차세대 네트워크의 물리적인 기초이다. 광통신 시스템의 발전 수요를 만족시키기 위하여, 광섬유 통신 네트워크 전송 매체로서의 광섬유의 관련 성능 지표 역시 좀 더 개선이 필요하다.
광섬유의 감쇠계수는 광섬유의 가장 중요한 성능지표 중의 하나로서, 광섬유 통신의 중계 거리를 상당한 정도로 결정한다. 광섬유의 감쇠계수가 작을수록, 휴대되는 광신호가 전송할 수 있는 거리가 더욱 멀고, 전송거리가 같을 경우, 휴대되는 광신호의 감쇠폭이 더욱 작다. 감쇠계수를 낮추면 광섬유 통신 중의 광신호 대 잡음비(OSNR)를 효과적으로 높일 수 있고, 시스템의 전송 품질과 전송 거리를 더욱 향상시킬 수 있다. 장가리 광섬유 통신에서, 광신호는 중계국을 통해 전송을 완수하며, 광섬유의 감쇠계수가 작을수록, 광신호의 무중계 전송 거리가 더욱 멀어진다. 그렇다면 중계국 간의 거리가 증가하게 될 것이고, 따라서 중계국의 설치를 크게 감소시킬 수 있어 운영비가 절감될 수 있다. 따라서, 광섬유의 감쇠계수는 시스템 구조의 최적화 측면 또는 운영비 절감 측면을 막론하고, 모두 대단히 중요한 의미를 갖는다. 한편, 최근 FTTX가 부단히 발전함에 따라, 종래의 G.652 광섬유의 성능은 이미 사용자의 요구를 만족시키기 어렵게 되었고, 실제 응용 환경은 광섬유가 일정 정도의 내굴곡 성능을 구비하도록 요구한다. 따라서 G.652 광섬유를 기반으로 차세대 굴곡 강화 단일모드 광섬유---G.657 광섬유가 개발되었고, 그 중 G.652 표준과 호환될 수 있는 G.657.A 유형의 광섬유 및 G.652 표준과 호환될 수 없는 G.657.B 유형의 광섬유를 포함한다. G.657.A 유형의 광섬유와 G.652.D 광섬유는 매우 우수한 호환성을 가지며, 보통의 G.652.D 광섬유에 비해 더욱 우수한 내굴곡 성능을 지니기 때문에 이는 종래의 G.652 광섬유를 대체할 수 있는 제품 중의 하나로 인식된다. 따라서 G.652 표준과 호환되면서, 보다 낮은 감쇠와, 상대적으로 큰 모드필드 직경을 지님과 동시에 굴곡 강화 특성을 더 구비하는 차세대 단일모드 광섬유는 통신 광섬유 분야 내에서 열띤 연구 주제가 되었다.
광섬유 프리폼의 제조 과정에서 일반적으로 이하 몇 가지 방법을 이용하여 광섬유 감쇠를 저하시킨다. 예를 들어, 보다 높은 순도의 원재료를 이용하고, 생산 환경과 장치의 밀봉성능을 높임으로써 외부 불순물이 유입될 확률을 낮춘다. 예를 들어 특허 CN201110178833.3은 즉 광섬유 프리폼 증착 과정 중의 기밀성을 향상시키는 방법을 이용하여 외부 불순물의 유입을 저하시켰다. 또는 바깥지름이 더욱 큰 프리폼 제조 공정을 이용하여, 대형 치수의 프리폼 희석효과를 통해 광섬유의 전체적인 감쇠를 저하시키기도 한다. 또한, 광섬유 제조 과정에서, 베어 광섬유 표면 코팅층의 코팅 공정 역시 광섬유 감쇠 성능에 영향을 미치는 하나의 중요 요소이다. 그러나, 이론적으로나 또는 실제 광섬유 제조 중의 비용과 공정 제어 측면을 막론하고, 광섬유의 도핑을 감소시키고 광섬유의 단면을 최적화시키는 것이 가장 간단하면서도 효과적인 광섬유 감쇠 저하 방법이다. 일반적으로 도핑재료의 농도가 낮을수록, 레일리 산란이 야기하는 손실이 작아진다. 종래의 단일모드 광섬유에서, 광섬유 중의 완전반사를 보장하기 위하여, 코어층과 내부 클래딩층 사이에 반드시 충분한 굴절률 차이값을 보장하여, 코어층의 상대굴절률이 광섬유의 내부 클래딩층보다 훨씬 크도록 해야 한다. 이러한 설계를 보장하기 위해서는 반드시 코어층에 다량의 Ge 또는 Ge/F 코도핑 형식의 도핑을 실시해야 하는데, 종래의 광섬유 단면 설계에서, 레이저 에너지가 광섬유 단면에 가우스 분포 형식으로 분포되어, 광섬유 레이저 에너지가 약 70% 정도로 상대적으로 도핑이 많은 코어층 부분에 전파되며, 즉 에너지 밀도가 높은 레이저광의 전송이 레일리계수가 비교적 큰 고농도 도핑 코어층에 집중적으로 전파된다. 합리적인 광학 단면 설계를 통해, 에너지가 비가우스적으로 분포되는 단면을 설계한다면, 고농도 도핑 코어층 중 에너지의 손실을 감소시켜 광섬유의 감쇠 성능을 현저히 낮출 수 있을 것이다.
그러나 이러한 통상적인 G.657 광섬유의 단면 설계 및 제조 방법에서, 코어층은 다량의 Ge/F 코도핑을 사용하고 있으며, 최적의 매크로벤딩 성능을 획득하기 위하여, 코어층의 상대굴절률은 일반적으로 모두 0.35% 이상으로서, 즉 코어층의 Ge 도핑이 비교적 많으며, 따라서 비교적 큰 레일리 산란을 가져와 광섬유의 감쇠가 증가할 수 있다.
문헌 CN201310394404는 순수 실리카의 외부 클래딩 설계를 사용한 초저감쇠 광섬유의 설계를 제시하였다. 그러나 상기 문헌에서 사용된 것은 전형적인 스텝 단면 구조이고, 광섬유의 벤딩을 최적화하는 함몰 내부 클래딩 설계를 사용하지 않았을 뿐만 아니라, 그 코어는 Ge를 사용하여 도핑을 실시하지 않기 때문에, 프리폼 제조 시 점도 조절의 실패를 초래할 가능성이 있어, 그 감쇠와 굴절 수준이 상대적으로 나쁘다는 것을 발견할 수 있다.
다음은 본 발명에서 다루는 약간의 용어에 대한 정의 및 설명이다.
광섬유 코어축선으로부터 계산하며, 굴절률의 변화에 따라, 축선에 가장 인접한 층을 코어층으로 정의하고, 광섬유의 최외층, 즉 순수 실리카층은 광섬유 외부 클래딩층이라 정의한다.
광섬유의 각 층의 상대굴절률 Δn i 는 이하 방정식으로 정의되며,
Figure pct00001
그 중 n i 는 코어층의 굴절률이고, n c 는 외부 클래딩층의 굴절률, 즉 순수 실리카의 굴절률이다.
광섬유 코어층 중 Ge 도핑의 굴절률 기여량 ΔGe은 이하 방정식으로 정의되며,
Figure pct00002
그 중 n Ge 는 코어의 Ge 도핑물로 가정하여, 다른 도핑물이 도핑되지 않은 순수 실리카에서 일으키는 실리카 유리 굴절률의 변화량이고, n c 는 최외층 클래딩의 굴절률, 즉 Ge 또는 F 도핑을 실시하지 않은 순수 실리카의 굴절률이다.
광케이블의 컷오프 파장 λcc:
IEC(국제 전기기술 위원회) 표준 60793-1-44에는, 광케이블의 컷오프 파장 (λcc)은 광신호가 광섬유 중 22미터를 전송한 후 더 이상 단일모드 신호로써 전파되지 않는 파장이라고 정의되어 있다. 시험 시 광섬유를 반경이 14cm인 원으로 한 바퀴 감고, 반경이 4cm인 원으로 두 바퀴 감는 방식을 통해 데이터를 획득한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술문제는 저렴한 광섬유 제조비용, 낮은 감쇠계수와 탁월한 굴곡성능을 구비한 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유를 제공하고자 하는데 있다.
본 발명이 위에서 제기한 문제를 해결하기 위해 채택한 기술방안은 다음과 같다. 코어층와 클래딩층을 포함하며, 코어층의 반경(r1)은 3.0~3.9㎛이고, 코어층의 상대굴절률(Δn 1 )은 -0.04%~0.12%이며, 코어층의 외측은 안에서 바깥으로 순차적으로 내부 클래딩층, 함몰 내부 클래딩층, 보조 외부 클래딩층과 외부 클래딩층이 피복되고, 상기 광섬유의 내부 클래딩층의 반경(r2)은 8~14㎛이고, 상대굴절률(Δn 2 )은 -0.35%~-0.10%이며; 상기 함몰 내부 클래딩층의 반경(r3)은 14~20㎛이고, 상대굴절률(Δn 3 )은 -0.6%~-0.2%이며; 상기 보조 외부 클래딩층의 반경(r4)은 35~50㎛이고, 상대굴절률(Δn 4 ) 범위는 -0.4%~-0.15%이며; 상기 외부 클래딩층은 순수 실리카 유리층이고, 최외층의 직경은 125㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 방안에 따르면, 상기 코어층은 게르마늄 불소 코도핑된 실리카 유리층이거나, 또는 게르마늄만 도핑된 실리카 유리이며, 그 중 게르마늄 도핑의 기여량은 0.02%~0.10%이고, 바람직한 범위는 0.04%~0.08%이다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1310nm 파장에서의 모드필드 직경은 8.4~9.1㎛이고, 바람직한 조건하에서는 8.5~8.8㎛이다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 케이블 컷오프 파장은 1260nm보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 제로 색분산점은 1300~1324nm이다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 제로 색분산 기울기는 0.092보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1310nm 파장 부위의 색분산은 18ps/nm*km보다 작거나 같고, 상기 광섬유의 1625nm 파장 부위의 색분산은 22ps/nm*km보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1310nm 파장 부위의 감쇠는 0.324dB/km보다 작거나 같고; 바람직한 조건하에서는 0.304dB/km보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1550nm 파장 부위의 감쇠는 0.184dB/km보다 작거나 같고, 바람직한 조건하에서는 0.174dB/km보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 1550nm 파장 부위에서, R15mm의 곡률반경으로 10바퀴 구부린 매크로벤딩손실은 0.03dB보다 작거나 같고, R10mm의 곡률반경으로 1바퀴 구부린 매크로벤딩손실은 0.1dB보다 작거나 같다.
상기 방안에 따르면, 상기 광섬유의 코팅층 두께의 대표값은 250미크론 또는 200미크론일 수 있다.
본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다. 1. 광섬유의 코어와 클래딩층 단면 구조 및 광섬유 내부의 점도 매칭을 합리적으로 설계하여, 광섬유 제조 과정 중의 결함을 감소시키고, 광섬유의 감쇠 파라미터를 낮추었다. 2. 합리적인 광섬유 불소도핑 함몰 구조를 설계하고, 광섬유의 각 코어와 클래딩층 단면의 합리적인 설계를 통해, 광섬유가 8.4보다 크거나 같은 MFD를 구비하도록 하였다. 3. 본 발명의 컷오프 파장, 벤딩 손실, 색분산 등 종합 성능 파라미터가 응용 파장밴드에서 양호하여, 케이블의 컷오프 파장이 충분히 작음으로써 상기 광섬유를 C 파장구간의 전송에 응용 시 광신호의 단일모드 상태를 보장할 수 있고, 광섬유 단면은 다층 계단형 함몰 클래딩 구조를 이용하여, 기본 모드의 누출을 제한하기 위한 비교적 넓은 함몰 클래딩층 구조를 구비하며, 광섬유의 벤딩손실에 대해 양호한 개선 작용을 지니고; G657.A2 표준과 호환될 수 있다; 4. 최외층의 외부 클래딩 구조는 순수 실리카 설계를 이용하여, 광섬유 중 불소 도핑된 유리의 비중을 저하시킴으로써, 광섬유 제조 생산비용을 낮추었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 굴절률 단면 구조 분포도이다.
이하 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
코어층과 클래딩층을 포함하며, 상기 코어층은 게르마늄 불소 코도핑된 실리카 유리층이거나, 또는 게르마늄 도핑된 실리카 유리층이고, 코어층의 외부는 안에서 바깥으로 순차적으로 내부 클래딩층, 함몰 내부 클래딩층, 보조 외부 클래딩층과 외부 클래딩층이 피복된다. 상기 외부 클래딩층은 순수 실리카 유리층이며, 외부 클래딩층의 반경은 125㎛이다.
표 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 굴절률 단면 파라미터이며, 그 중 ΔGe는 코어층 중 Ge의 도핑 굴절률 기어량이다. 표 2는 표 1의 상기 광섬유에 대응하는 광학 파라미터 특성이다.
본 발명의 실시예의 광섬유 단면 파라미터
번호 r1[μm] Δn1[%] ΔGe[%] r2[μm] Δn2[%] r3[μm] Δn3[%] r4[μm] Δn4[%]
1 3.4 0.04 0.08 10 -0.25 13.5 -0.52 42 -0.2
2 3.5 0.02 0.02 11.5 -0.33 15.5 -0.4 48 -0.38
3 3.7 0.01 0.05 12.5 -0.25 15.5 -0.45 45 -0.4
4 3 0.03 0.05 11 -0.24 14.5 -0.38 38 -0.36
5 3.2 0.1 0.1 9 -0.15 14 -0.38 41 -0.18
6 3.8 0.05 0.08 13 -0.18 17 -0.55 40 -0.22
7 3.3 0 0.08 10 -0.28 12.8 -0.51 46 -0.25
8 3.6 0.06 0.02 13 -0.21 18 -0.45 47 -0.27
9 3.1 -0.04 0.03 8.5 -0.32 13.7 -0.58 44 -0.38
10 3.5 -0.02 0.04 12 -0.21 19 -0.5 42 -0.3
본 발명의 실시예의 광섬유 파라미터
번호 MFD 케이블 제로 분산 감쇠 감쇠 R15mm-10바퀴 R10mm-1바퀴
@1310 컷오프 @1310nm @1550nm 매크로벤딩 매크로벤딩
[μm] [nm] [nm] [dB/km] [dB/km] @1550nm @1550nm
1 8.5 1243 1317 0.292 0.169 0.18 0.54
2 8.4 1209 1323 0.288 0.163 0.08 0.25
3 8.7 1232 1318 0.294 0.167 0.2 0.62
4 8.5 1241 1321 0.3 0.173 0.14 0.41
5 8.6 1241 1308 0.323 0.181 0.15 0.45
6 8.8 1256 1312 0.321 0.178 0.14 0.43
7 8.5 1222 1316 0.313 0.181 0.21 0.63
8 8.7 1247 1320 0.296 0.169 0.09 0.29
9 8.4 1250 1311 0.301 0.171 0.23 0.72
10 9 1258 1304 0.313 0.177 0.19 0.57

Claims (9)

  1. 코어층와 클래딩층을 포함하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유에 있어서,
    코어층의 반경(r1)은 3.0~3.9㎛이고, 코어층의 상대굴절률(Δn 1 )은 -0.04%~0.12%이며, 코어층의 외측은 안에서 바깥으로 순차적으로 내부 클래딩층, 함몰 내부 클래딩층, 보조 외부 클래딩층과 외부 클래딩층이 피복되고, 상기 광섬유의 내부 클래딩층의 반경(r2)은 8~14㎛이고, 상대굴절률(Δn 2 )은 -0.35%~-0.10%이며; 상기 함몰 내부 클래딩층의 반경(r3)은 14~20㎛이고, 상대굴절률(Δn 3 )은 -0.6%~-0.2%이며; 상기 보조 외부 클래딩층의 반경(r4)은 35~50㎛이고, 상대굴절률(Δn 4 ) 범위는 -0.4%~-0.15%이며; 상기 외부 클래딩층은 순수 실리카 유리층이고, 광섬유의 최외층의 직경은 125㎛인 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
  2. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코어층은 게르마늄 불소 코도핑된 실리카 유리층이거나, 또는 게르마늄만 도핑된 실리카 유리이며, 게르마늄 도핑의 기여량은 0.02%~0.10%인 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1310nm 파장에서의 모드필드 직경은 8.4~9.1㎛인 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광섬유의 케이블 컷오프 파장은 1260nm보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광섬유의 제로 색분산점은 1300~1324nm이고; 상기 광섬유의 제로 색분산 기울기는 0.092보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1310nm 파장 부위의 색분산은 18ps/nm*km보다 작거나 같고, 상기 광섬유의 1625nm 파장 부위의 색분산은 22ps/nm*km보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1310nm 파장 부위의 감쇠는 0.324dB/km보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1550nm 파장 부위의 감쇠는 0.184dB/km보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광섬유의 1550nm 파장 부위에서, R15mm의 곡률반경으로 10바퀴 구부린 매크로벤딩손실은 0.03dB보다 작거나 같고, R10mm의 곡률반경으로 1바퀴 구부린 매크로벤딩손실은 0.1dB보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초저감쇠 굴곡 강화 단일모드 광섬유.
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