KR20230084306A

KR20230084306A - 광섬유 케이블

Info

Publication number: KR20230084306A
Application number: KR1020237016020A
Authority: KR
Inventors: 미쿠 미야타; 아키라 무라타
Original assignee: 가부시키가이샤후지쿠라
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2023-06-12
Also published as: CA3195857A1; JPWO2022085244A1; US20230393332A1; TW202217384A; AU2021365659A1; WO2022085244A1; CN116324557A; EP4231071A1; TWI787928B

Abstract

광섬유 케이블(1)에는, 기하학적 마이크로벤딩 손실 특성F_{μBL_G}와, 광학 마이크로벤딩 손실 특성 F_μBLΔβ를 가지는 광섬유(10)가 시스(3)의 내부 공간 3S에 복수수용되고, 내부 공간 3S의 공극률 a와 내부 공간 3S에 수용되는 광섬유(10)의 심수 b를 이용하여 광섬유 케이블(1)의 케이블 특성 Dc를 규정하는 경우에, 하기 식으로 표시되는 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 1.2×10^-9 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 케이블

본 발명은, 광섬유 케이블에 관한 것이다.

최근, Fiber To The Home(FTTH) 서비스의 성장이나 모바일 단말기의 보급, 클라우드 서비스의 이용 확대, 영상 트래픽의 증가 등의 이유에 의해, 광섬유 케이블 등에 의해 구축되는 통신 인프라의 트래픽이 증가하고 있다. 그러므로, 통신 인프라를 종래에 비하여 경제적이면서 또한 효율적으로 구축하는 것이 요구되고 있다. 이와 같은 배경 하에서, 광섬유 케이블에 실장(實裝)되는 광섬유의 실장 심수나 실장 밀도를 증가시키는 요청이 있다. 그리고, 일반적으로, 광섬유 케이블에서는, 복수의 광섬유는 관형의 수지 부재인 시스(sheath)의 내부에 수용된다.

시스의 내부에 수용되는 광섬유의 실장 심수나 실장 밀도를 증가시키는 수단으로서, 광섬유를 세경화(細徑化)하는 것이 고려된다. 그러나, 이 경우, 광섬유가 측압의 영향을 받기 쉬워지고, 광섬유의 축이 미소하게 구부러지는 이른바 미소 굽힘에 의해 발생하는 광 손실인 마이크로벤딩 손실(microbending loss)이 증가할 수 있다. 하기 특허문헌 1에는, 광섬유의 피복의 탄성계수 및 유리 전이점을 조정함으로써 광섬유의 피복 두께를 얇게 하고, 이로써, 광섬유를 세경화한 경우에도 마이크로벤딩 손실를 억제할 수 있는 것이 기재되어 있다.

일본 특표 제2012-508395호 공보

그런데, 광섬유 케이블이 저온 환경에 노출되면, 시스가 저온 수축하고, 이 저온 수축하는 시스에 의해 광섬유가 압압(押壓)되어 구부러진다. 그 결과, 광섬유에 마이크로벤딩 손실이 생겨, 광섬유 케이블의 전송 손실이 증가하는 경향이 있다. 특히, 특허문헌 1에 기재된 광섬유를 이용하여 광섬유 케이블을 구성하는 경우, 개개의 광섬유가 통상의 광섬유보다 가늘기 때문에, 시스로부터의 압압에 의해 구부러지기 쉽고, 전송 손실이 증가하기 쉽다고 생각된다.

그래서, 본 발명은, 저온 환경 하에 있어서 전송 손실이 증가하는 것을 억제할 수 있는 광섬유 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적의 달성을 위해, 본 발명은, 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함하는 유리부, 상기 클래드를 덮는 프라이머리 피복층, 및 상기 프라이머리 피복층을 덮는 세컨더리 피복층을 포함하는 복수의 광섬유와, 복수의 상기 광섬유를 내부 공간에 수용하는 시스를 구비하는 광섬유 케이블로서, 상기 광섬유는, 상기 유리부의 굽힘강성을 H_f(Pa·m⁴), 상기 세컨더리 피복층의 내변형성을 D₀(Pa), 상기 세컨더리 피복층의 굽힘강성을 H₀(Pa·m⁴), 상기 유리부의 영률(Young's modulus)를 E_g(GPa), 상기 프라이머리 피복층의 영률을 E_p(MPa), 상기 세컨더리 피복층의 영률을 E_s(MPa), 상기 유리부의 외경(外徑)을 d_f(㎛), 상기 프라이머리 피복층의 외주면의 반경을 R_p(㎛), 상기 세컨더리 피복층의 외주면의 반경을 R_s(㎛), 상기 프라이머리 피복층의 두께를 t_p(㎛), 및 상기 세컨더리 피복층의 두께를 t_s(㎛)로 하는 경우에,

로 표시되는 상기 광섬유의 기하학적 마이크로벤딩 손실 특성 F_{μBL_G}(Pa^-1·m^-10.5)와, 상기 광섬유를 전파하는 도파(導波) 모드에서의 전파 상수와 방사 모드에서의 전파 상수의 차를 전파 상수차 Δβ(rad/m)로 하는 경우에,

로 표시되는 상기 광섬유의 광학 마이크로벤딩 손실 특성 F_{μBL_Δβ}(1/(rad/㎛)⁸)을 가지고, 상기 내부 공간의 공극률 a와 상기 내부 공간에 수용되는 상기 광섬유의 심수 b를 이용하여 상기 광섬유 케이블의 케이블 특성 Dc를 하기 식으로 규정하는 경우에,

하기 식으로 표시되는 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 1.2×10^-9 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.

광섬유의 마이크로벤딩 손실은, 비특허문헌 1(J. Baldauf, et al., "Relationship of Mechanical Characteristics of Dual Coated Single Mode Optical Fibers and Microbending Loss," IEICE Trans. Co㎜un., vol. E76-B, No.4, 1993.), 비특허문헌 2(K. Petermann, et al., "Upper and Lower Limits for the Microbending Loss in Arbitrary Single-Mode Fibers,"J. Lightwave technology, vol. LT-4, no.1, pp.2-7, 1986.), 비특허문헌 3(오코시 외, "광섬유," 옴샤, pp.235-239, 1989.), 및 비특허문헌 4(P. Sillard, et al., "Micro-Bend Losses of Trench-Assisted Single-Mode Fibers," ECOC2010, We. 8.F.3, 2010.)에 기재되어 있는 바와 같이, 광섬유의 기하학 및 광학 특성의 양쪽의 영향을 받는 경향이 있다.

여기에서, 광섬유의 기하학이란, 광섬유의 구조에 관한 파라미터이며, 본 발명에서는, 광섬유에서의 유리부의 굽힘강성 H_f, 세컨더리 피복층의 내변형성 D₀, 세컨더리 피복층의 굽힘강성 H₀, 유리부의 영률 E_g, 프라이머리 피복층의 영률 E_p, 세컨더리 피복층의 영률 E_s, 유리부의 외경 d_f(유리부의 직경), 유리부의 반경 R_g, 프라이머리 피복층의 반경 R_p, 세컨더리 피복층의 반경 R_s, 프라이머리 피복층의 두께 t_p, 및 세컨더리 피복층의 두께 t_s를 말한다.

또한, 상기 비특허문헌 2∼4에 의하면, 마이크로벤딩 손실은, 광섬유를 전파하는 도파 모드가 방사 모드와 결합하는 모드 결합에 의해 생기는 현상으로 여겨진다. 이와 같은 모드 결합은, 상기 미소 굽힘에 기인하여 일어난다고 생각되고 있고, 또한, 광섬유를 전파하는 광의 도파 모드에서의 전파 상수와 방사 모드에서의 전파 상수의 차인 전파 상수차(Δβ)에 의해 결정된다고 한다. 전술한 광섬유의 광학 특성은, 광섬유를 전파하는 광의 특성에 관한 파라미터이며, 본 발명에서는 상기 전파 상수차 Δβ(rad/m)를 의미한다.

또한, 광섬유 케이블이 저온 환경에 노출되면, 상기한 바와 같이, 광섬유가 구부러져 마이크로벤딩 손실이 발생하여, 전송 손실이 증가하는 경향이 있다. 그러므로, 이와 같은 전송 손실의 증가를 고려하여, 광섬유 케이블에서는, -40℃에서의 상온을 기준으로 하는 전송 손실의 증가분을 0.15dB/km 이하로 하는 것이 요구되는 경우가 있다. 그리고, 이와 같은 전송 손실의 증가분은 온도 특성 시험 손실 증가분이라고 하는 경우가 있다.

본 발명자는, 광섬유 케이블의 상기 전송 손실에 관하여 예의 연구하였다. 그 결과, 본 발명자는, 상기 식으로 표시되는 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이, 온도 특성 시험 손실 증가분의 값과 대체로 경사가 정비례 관계에 있는 것을 찾아냈다.

또한, 본 발명자는 연구를 더욱 진행시킨 바, 상기 마이크로벤딩 손실 특성 인자의 값이 1.2×10^-9일 때, 온도 특성 시험 손실 증가분의 값이 0.15dB/km보다 다소 작은 값이 되는 것을 찾아냈다. 상기한 바와 같이, 마이크로벤딩 손실 특성 인자의 값과 온도 특성 시험 손실 증가분의 값은 대체로 경사가 정비례 관계에 있다. 따라서, 광섬유 케이블의 마이크로벤딩 손실 특성 인자의 값을 1.2×10^-9 이하로 함으로써, -40℃의 저온 환경 하에 있어서, 전송 손실의 증가분이 0.15dB/km 이하로 되도록 전송 손실의 증가를 억제할 수 있다. 이와 같이, 이 광섬유 케이블에 의하면, 저온 환경 하에 있어서 전송 손실이 증가하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 상기 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 9.9×10^-10 이하인 것이 보다 바람직하다.

마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값을 9.9×10^-10 이하로 함으로써, 전송 손실의 증가분인 온도 특성 시험 손실 증가분의 값을 0.12dB/km 이하로 할 수 있다.

또한, 상기 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 7.9×10^-10 이하인 것이 더욱 바람직하다.

마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값을 7.9×10^-10 이하로 함으로써, 전송 손실의 증가분인 온도 특성 시험 손실 증가분의 값을 0.10dB/km 이하로 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 저온 환경 하에 있어서 전송 손실이 증가하는 것을 억제할 수 있는 광섬유 케이블이 제공된다.

[도 1] 본 발명의 실시형태에 관련된 광섬유 케이블의 길이 방향에 수직한 단면(斷面)의 구조의 개략을 나타내는 도면이다.
[도 2] 도 1에 나타내어지는 광섬유 케이블에 포함되는 광섬유 테이프 심선의 일례의 개략을 나타내는 사시도이다.
[도 3] 도 2에 나타내어지는 광섬유 테이프 심선에 포함되는 광섬유의 길이 방향에 수직한 단면의 구조의 개략을 나타내는 도면이다.
[도 4] 광섬유 케이블에서의 마이크로벤딩 손실 특성 인자의 값과 온도 특성 시험 손실 증가분의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명에 관련된 광섬유 케이블을 실시하기 위한 형태가 첨부 도면과 함께 예시된다. 이하에 예시하는 실시형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하여 해석하기 위한 것은 아니다. 본 발명은, 그 취지를 일탈하지 않고, 이하의 실시형태로부터 변경, 개량할 수 있다. 또한, 본 명세서에서는, 이해를 용이하게 하기 위하여, 각 부재의 치수가 과장하여 나타내어져 있는 경우가 있다.

도 1은, 실시형태에 관련된 광섬유 케이블(1)의 길이 방향에 수직한 단면의 구조의 개략을 나타내는 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 광섬유 케이블(1)은 시스(3)와, 복수의 테이프 심선(4)과, 항장력체(抗張力體)(6)를 주된 구성으로서 구비한다.

시스(3)는 관형의 부재이며, 예를 들면 폴리에틸렌 등의 열가소성 수지로 형성된다. 시스(3)에 의해 둘러싸인 내부 공간 3S에는, 복수의 테이프 심선(4)이 수용되어 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 광섬유 케이블(1)은, 시스(3)의 내부 공간 3S에 복수의 테이프 심선(4)이 조밀하게 수용되는 이른바 세경 고밀도 케이블(UHDC: Ultra-High Density Cable)로서 구성되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 복수의 테이프 심선(4)은 동일한 구성을 가지고 있다.

본 실시형태에 있어서, 한 쌍의 항장력체(6)가 시스(3)의 후육부(厚肉部)에 매설되어 있다. 도 1의 단면에서 볼 때, 항장력체(6)는 광섬유 케이블(1)의 중심을 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 설치되어 있다. 이와 같은 항장력체(6)에 의해, 테이프 심선(4)의 길이 방향으로 장력이 작용했을 때 테이프 심선(4)이 필요 이상으로 신장되는 것이 억제될 수 있다. 그리고, 항장력체(6)의 위치 및 개수는 본 예에 한정되지 않고, 또한, 항장력체(6)를 설치하지 않아도 된다.

도 2는, 테이프 심선(4)의 일례의 개략을 나타내는 사시도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 테이프 심선(4)은 이른바 간헐 접착형의 테이프 심선이다. 본 실시형태의 테이프 심선(4)에서는, 복수의 광섬유(10)가 길이 방향에 수직한 방향을 따라 배열되고, 배열된 광섬유(10)끼리가 접착되어 있다. 도 2의 예에서는, 테이프 심선(4)을 구성하는 광섬유(10)의 심수는 12심이다. 그리고, 테이프 심선(4)을 구성하는 광섬유(10)의 심수는 12심에 한정되지 않고, 12심보다 많아도되고, 12심보다 적어도 된다. 또한, 테이프 심선(4)은 간헐 접착형에 한정되는 것은 아니다.

테이프 심선(4)은 접착부(4A)와, 단심부(單心部)(4B)를 포함하고 있다. 접착부(4A)는 예를 들면 UV 경화형 수지나 열경화성 수지에 의해 형성되어 있고, 서로 인접하는 광섬유(10)에 접착되어, 이들 광섬유(10)끼리를 연결하고 있다. 접착부(4A)는 길이 방향을 따라 일정한 피치로 간헐적으로 설치되어 있다. 단심부(4B)는 접착부(4A) 사이에 위치하는 부위이며, 광섬유(10)끼리가 접착되어 있지 않은 부위이다. 이와 같은 구성에 의해, 테이프 심선(4)은 용이하게 변형할 수 있고, 예를 들면, 비틀거나, 혹은 대략 원통형으로 묶거나 할 수 있다. 도 1에서는, 각 테이프 심선(4)이 대략 원통형으로 묶인 상태의 개략이 나타내어져 있다.

그런데, 시스(3)의 내부 공간 3S의 체적을 A, 내부 공간 3S에 수용되는 각종 부재의 체적의 총계를 B로 하면, 내부 공간 3S의 공극률 a는 다음과 같이 정할 수 있다.

a=(A-B)/A

이 공극률 a가 작을수록, 광섬유(10)가 조밀하게 배치되어 있는 것을 의미한다. 본 실시형태에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 내부 공간 3S에 수용되는 부재는 복수의 테이프 심선(4)이다. 그러므로, 상기(B)의 값은, 내부 공간 3S 내의 복수의 테이프 심선(4)의 체적의 총계에 상당한다. 또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 복수의 테이프 심선(4)은 동일한 구성을 가지고 있으므로, 대체로 동일한 체적이다. 따라서, 이 체적을 V로 하고, 내부 공간 3S에 수용되는 테이프 심선(4)의 개수를 c로 하면, 상기 B의 값은 c×V로 표시할 수 있다.

그리고, 상기 공극률 a의 값은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 공극률 a가 지나치게 작은 경우, 광섬유의 밀집 정도가 과도하게 커지고, 인접하는 광섬유(10)끼리가 서로 미치는 측압이 커져, 마이크로벤딩 손실의 증가를 초래하는 경우가 있다. 그러므로, 광섬유 케이블(1) 내의 광섬유(10)의 심수를 증가시키는 것과, 상기 측압을 억제하는 것을 고려하여, 공극률 a는 예를 들면 0.31 이상 0.42 이하라도 된다.

도 3은, 테이프 심선(4)을 구성하는 광섬유(10)의 길이 방향에 수직한 단면의 구조를 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 광섬유(10)는 싱글 모드 광섬유다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 광섬유(10)는 코어(11)와, 코어(11)를 간극없이 둘러싸는 클래드(12)와, 클래드(12)를 피복하는 프라이머리 피복층(14)과, 프라이머리 피복층(14)을 피복하는 세컨더리 피복층(15)을 주된 구성으로 하여 구비한다. 광섬유(10)에 있어서, 클래드(12)는 코어(11)보다 낮은 굴절률을 가진다.

코어(11)는, 도펀트가 첨가되어 있지 않은 순수 석영으로 형성되어도 되고,혹은, 굴절률을 상승시키는 게르마늄(Ge) 등이 도펀트로서 첨가된 석영으로 형성되어도 된다.

클래드(12)는 전술한 바와 같이, 코어(11)보다 낮은 굴절률을 가진다. 클래드(12)는, 예를 들면 코어(11)가 순수 석영으로 형성되는 경우에는, 굴절률을 저하시키는 불소(F)나 붕소(B) 등이 도펀트로서 첨가된 석영으로 형성되어도 되고, 코어(11)가 굴절률을 상승시키는 게르마늄(Ge) 등이 도펀트로서 첨가된 석영으로 형성되는 경우에는, 도펀트가 첨가되어 있지 않은 순수 석영으로 형성되어도 된다. 또한, 클래드(12)에는, 염소(Cl2)가 첨가된 석영으로 형성되어 있어도 된다. 또한, 클래드(12)는 단일층이라도 되고, 상이한 굴절률을 가지는 복수의 층으로 이루어져도 되고, 공공(空孔) 어시스트형이어도 된다.

이와 같이, 코어(11) 및 클래드(12)는 모두 석영(유리)로 형성된다. 따라서, 코어(11) 및 클래드(12)를 총칭하여 유리부(13)라고 하면, 유리부(13)는 코어(11) 및 클래드(12)를 포함하고 있고, 이 유리부(13)가 프라이머리 피복층(14)에 의해 덮혀 있다. 그리고, 유리부(13)는 광섬유 나선이라고도 한다. 본 실시형태의 유리부(13)의 외경(직경) d_f는, 일반적인 광섬유의 유리부의 외경인 대략 125㎛보다 세경이며, 예를 들면 80㎛ 이상 90㎛ 이하라도 된다.

프라이머리 피복층(14)은 예를 들면 자외선 경화 수지나 열경화 수지로 형성되고, 유리부(13)의 외측에 두께 t_p(㎛)로 형성된다. 본 실시형태에서는, 프라이머리 피복층(14)의 영률 E_g는, 세컨더리 피복층(15)의 영률 E_s에 비하여 낮다. 이와 같이 유리부에 직접 접하는 프라이머리 피복층(14)이 저영률로 됨으로써, 프라이머리 피복층(14)이 완충재로서 작용하고, 유리부(13)에 작용하는 외력이 저감될 수 있다. 그리고, 프라이머리 피복층(14)의 외주면의 반경을 R_p(㎛)로 하면, 프라이머리 피복층(14)의 외경은 2R_p로 표시되고, 또한, 유리부의 반경(d_f×1/2)을 R_g(㎛)로 하면, 프라이머리 피복층(14)의 상기 두께 t_p는 하기 식으로 표시된다.

t_p=R_p-R_g

본 실시형태에 있어서, 세컨더리 피복층(15)은 광섬유(10)의 최외층을 이루는 층이며, 예를 들면, 프라이머리 피복층(14)을 형성하는 수지와는 상이한 종류의 자외선 경화 수지나 열경화 수지로 형성되고, 프라이머리 피복층(14)의 외측에 두께 t_s(㎛)로 형성된다. 예를 들면, 세컨더리 피복층(15)은, 프라이머리 피복층(14)이 자외선 경화 수지로 형성되는 경우에는, 프라이머리 피복층(14)을 형성하는 자외선 경화 수지와는 상이한 자외선 경화 수지로 형성되어도 되고, 프라이머리 피복층(14)이 열경화 수지로 형성되는 경우에는, 프라이머리 피복층(14)과는 상이한 열경화 수지로 형성되어도 된다. 본 실시형태에서는, 세컨더리 피복층(15)의 영률 E_s는 프라이머리 피복층(14)의 영률 E_g보다 높다. 이와 같이, 광섬유(10)의 최외층을 이루는 세컨더리 피복층(15)이 고영률로 됨으로써, 유리부(13)가 외력으로부터 적절하게 보호될 수 있다. 그리고, 세컨더리 피복층(15)의 외주면의 반경을 R_s로 하면, 세컨더리 피복층(15)의 외경, 즉 광섬유(10)의 외경은 2R_s로 표시되고, 또한, 세컨더리 피복층(15)의 상기 두께 t_s는 하기 식으로 표시된다.

t_s=R_s-R_p

그리고, 광섬유 케이블에 사용되는 광섬유의 외경은 일반적으로 240㎛ 정도부터 250㎛ 정도이다. 그러나, 본 실시형태에서는, 세컨더리 피복층(15)의 외경이 예를 들면 150㎛ 이상 161㎛ 이하라도 된다.

또한, 프라이머리 피복층(14)의 두께 t_p와 세컨더리 피복층(15)의 두께 t_s의 합을 피복 두께 t로 하면, 광섬유 케이블에 사용되는 광섬유의 피복 두께는 일반적으로 60㎛ 정도이다. 그러나, 본 실시형태에서는, 광섬유(10)의 피복 두께 t가 예를 들면 35.0㎛ 이상 37.5㎛ 이하라도 된다.

전술한 바와 같이, 광섬유 케이블(1)의 시스(3)의 내부 공간 3S 내에는, 이와 같은 세경의 광섬유(10)가 12심 묶여 이루어지는 테이프 심선(4)이 조밀하게 수용된다. 이렇게 하여, 예를 들면 288심, 1728심, 혹은 2000심 이상의 광섬유을 포함하는 광섬유 케이블(1)이 구성된다. 그리고, 본 실시형태의 광섬유(10)는 전술한 바와 같이 세경화되어 있으므로, 테이프 심선(4)의 치수를 일반적인 테이프 심선의 치수보다 작게 할 수 있다. 따라서, 시스(3)의 내부 공간 3S로 수용되는 광섬유의 심수를 효과적으로 늘릴 수 있다. 혹은, 이와 같이 치수가 작은 테이프 심선(4)을 내부 공간 3S에 수용함으로써, 광섬유 케이블(1)의 치수를 작게 할 수 있다.

광섬유 케이블이 예를 들면 -40℃ 등의 저온 환경에 노출되면, 시스가 저온 수축하고, 이 저온 수축하는 시스에 의해 광섬유가 압압되어 구부러진다. 그 결과, 광섬유에 마이크로벤딩 손실이 생겨, 광섬유 케이블의 전송 손실이 증가하는 경향이 있다. 특히, 세경화된 광섬유는 통상의 광섬유에 비하여 가늘기 때문에, 시스로부터의 압압에 의해 구부러지기 쉽다고 생각된다. 따라서, 세경화된 광섬유가 저온 환경에 노출되는 경우, 통상의 광섬유보다 전송 손실의 증가가 커진다고 생각된다. 또한, 일반적으로, 시스를 형성하는 수지는 저온으로 될수록 수축량이 커지는 경향이 있다. 그러므로, 광섬유 케이블이 사용되는 환경이 저온일수록, 광섬유가 시스로부터 받는 압압이 커지고, 그 결과, 광섬유 케이블의 전송 손실의 증가분도 커진다고 생각된다.

그러나, 본 실시형태의 광섬유 케이블(1)은, 후술하는 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 1.2×10^-9 이하로 되도록 형성된다. 그러므로, 광섬유 케이블(1)이 예를 들면 -40℃와 같은 저온 환경에 노출된 경우라도, 전송 손실의 증가가 억제될 수 있다. 이하, 이 이유에 대하여 상세하게 설명한다.

광섬유의 마이크로벤딩 손실은 전술한 비특허문헌 1∼4에 기재되어 있는 바와 같이, 광섬유의 기하학 및 광학 특성의 양쪽의 영향을 받는 경향이 있다.

광섬유의 기하학이란 광섬유의 구조에 관한 파라미터이며, 본 실시형태에서는, 광섬유에서의 유리부의 굽힘강성 H_f, 세컨더리 피복층의 내변형성 D₀, 세컨더리 피복층의 굽힘강성 H₀, 유리부의 영률 E_g, 프라이머리 피복층의 영률 E_p, 세컨더리 피복층의 영률 E_s, 유리부의 외경 d_f(유리부의 직경), 유리부의 반경 R_g, 프라이머리 피복층의 반경 R_p, 세컨더리 피복층의 반경 R_s, 프라이머리 피복층의 두께 t_p, 및 세컨더리 피복층의 두께 t_s를 말한다.

또한, 상기 비특허문헌 2∼4에 의하면, 마이크로벤딩 손실은, 광섬유를 전파하는 도파 모드가 방사 모드와 결합하는 모드 결합에 의해 생기는 현상으로 여겨진다. 이 도파 모드는 예를 들면 LP01 모드이다. 이와 같은 모드 결합은, 광섬유의 축이 미소하게 구부러지는 이른바 미소 굽힘에 기인하여 일어난다고 하고, 또한, 도파 모드에서의 전파 상수와 방사 모드에서의 전파 상수의 차인 전파 상수차(Δβ)에 의해 결정된다고 생각되고 있다. 전술한 광섬유의 광학 특성은 광섬유를 전파하는 광의 특성에 관한 파라미터이며, 본 발명에서는 상기 전파 상수차 Δβ(rad/m)를 의미한다.

또한, 상기한 바와 같이, 광섬유 케이블이 저온 환경에 노출된 경우, 광섬유에 마이크로벤딩 손실이 생겨 전송 손실이 증가하는 경향이 있다. 그러므로, 광섬유 케이블에서는, 이와 같은 전송 손실의 증가를 고려하여, -40℃에서의 상온을 기준으로 하는 전송 손실의 증가분을 0.15dB/km 이하로 하는 것이 요구되는 경우가 있다. 이와 같은 전송 손실의 증가분은 예를 들면 GR-20, Issue 4, July 2013 "Generic Requirements for Optical Fiber and Optical Fiber Cable"에 규정되는 케이블 온도 특성 시험에 의해 구할 수 있고, 온도 특성 시험 손실 증가분이라고 하는 경우가 있다.

본 발명자는, 광섬유 케이블의 상기 전송 손실에 관하여 예의 연구하였다. 그 결과, 본 발명자는, 전술한 기하학에 관한 파라미터를 이용하여 하기 식(1)

로 표시되는 광섬유(10)의 기하학적 마이크로벤딩 손실 특성 F_{μBL_G}와, 전술한 광학 특성에 관한 파라미터를 이용하여 하기 식(2)

로 표시되는 광섬유(10)의 광학 마이크로벤딩 손실 특성 F_μBLΔβ와, 상기 공극률 a와 시스(3)의 내부 공간 3S에 수용되는 광섬유(10)의 심수 b를 이용하여 하기 식(3)

으로 규정되는 광섬유 케이블(1)의 케이블 특성 Dc에 의해, 하기 식(4)

로 표시되는 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이, 온도 특성 시험 손실 증가분의 값과 대체로 경사가 정비례 관계에 있는 것을 찾아냈다.

그리고, 비특허문헌 5(K. Kobayashi, et al., "Study of Microbending loss in thin coated fibers and fiber ribbons," IWCS, pp. 386-392, 1993.)에 의하면, 상기 식(1)에서의 상수 μ의 전형값은 「3」이다. 따라서, 상기 식(1)은, 하기 식(5)로 된다.

또한, 상기 비특허문헌 2 및 비특허문헌 6(C. D. Hussey, et al., "Characterization and design of single-mode optical fibres," Optical and Quantum Electronics, vol. 14, no. 4, pp. 347-358, 1982.)에 의하면, 상기 식(2)에서의 상수 p의 전형값은 「4」이다. 따라서, 상기 식(2)은 하기 식(6)으로 된다.

또한, 본 발명자는 연구를 더욱 진행시킨 바, 상기 마이크로벤딩 손실 특성 인자의 값이 1.2×10^-9일 때, 온도 특성 시험 손실 증가분이 0.15dB/km보다 다소 작은 값으로 되는 것을 찾아냈다. 상기한 바와 같이, 마이크로벤딩 손실 특성 인자의 값과 온도 특성 시험 손실 증가분의 값은 대체로 경사가 정비례 관계에 있다. 따라서, 광섬유의 마이크로벤딩 손실 특성 인자의 값을 1.2×10^-9 이하로 함으로써, -40℃의 저온 환경 하에 있어서, 전송 손실의 증가분이 0.15dB/km 이하로 되도록 전송 손실의 증가를 억제할 수 있다.

다음으로, 상기 마이크로벤딩 손실 특성 인자의 값이 1.2×10^-9일 때, 온도 특성 시험 손실 증가분의 값이 0.15dB/km보다 다소 작은 값이 되는 점에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명자는, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값과 온도 특성 시험 손실 증가분의 값의 관계를 검증하기 위해 이하의 실험을 행하였다. 그리고, 본 발명을 실시하는 태양(態樣)은 해당 실험에 한정되는 것은 아니다.

발명자는 샘플 1∼21의 광섬유 케이블을 준비하였다. 샘플 1∼21은 모두, 도 2에 나타낸 12심의 광섬유(10)를 포함하는 테이프 심선(4)이 상기 내부 공간 3S에 수용된 이른바 세경 고밀도 케이블이다. 샘플 1∼21의 각각의 파라미터의 제원을 하기 표 1∼5에 나타낸다. 표 1∼5에 있어서, 공극률, 심수, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}, 및 온도 특성 시험 손실 증가분을 제외한 파라미터는, 샘플 1∼21을 구성하는 복수의 광섬유의 개개의 제원을 나타내는 파라미터다. 예를 들면, 표 1에 나타내어지는 샘플 1의 광섬유 케이블은, 동일한 제원을 가지는 288심의 광섬유를 가지고 있고, 24개(288/12)의 테이프 심선(4)을 가지고 있다. 또한, 예를 들면, 표 3에 나타내어지는 샘플 12의 광섬유 케이블은, 동일한 제원을 가지는 1728심의 광섬유를 가지고 있고, 144개(1728/12)의 테이프 심선(4)을 가지고 있다. 그리고, 샘플 1∼21의 각각의 시스(3)는, 동일한 구성이다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

광섬유의 개개의 제원을 나타내는 파라미터 중, 모드 필드 직경(MFD), 컷오프 파장, MAC값, 매크로벤딩 손실(macrobending loss), 및 전파 상수차는 다음과 같다.

모드 필드 직경은 파장 1310㎚의 광을 광섬유에 전파시켰을 때의 LP01 모드의 광의 모드 필드 직경이다. 모드 필드 직경은 ITU-T 권고 G.650.1에 있어서, Petermann II의 정의 식(하기 식(7))으로 표시된다. 여기에서, E(r)은, 광섬유의 중심축으로부터의 거리가 r이 되는 점에서의 전계 강도를 나타낸다.

컷오프 파장은, 고차 모드가 충분히 감쇠하는 최소의 파장을 나타낸다. 이 고차 모드는 예를 들면 LP11 모드를 가리킨다. 구체적으로는, 고차 모드의 손실이 19.3dB가 되는 최소 파장이다. 컷오프 파장에는, 파이버 컷오프 파장과 케이블 컷오프 파장이 있고, 예를 들면 ITU-T 권고 G.650에 기재된 측정법에 의해 측정할 수 있다. 표 1∼5에는 케이블 컷오프 파장이 기재되어 있다. 또한, MAC값은 파장 1310㎚의 광의 모드 필드 직경과 케이블 컷오프 파장의 비이며, 모드 필드 직경을 2w, 케이블 컷오프 파장을 λ_cc로 하면, 2w/λ_cc로서 정의된다. 또한, 매크로벤딩 손실은, 광섬유를 반경 10㎜로 구부렸을 때 파장 1625㎚의 광이 이 구부러진 부분을 전파함으로써 발생하는 굽힘 손실이다. 매크로벤딩 손실의 단위에서의 「/turn」은, 「광섬유의 1굽힘당」을 의미한다. 또한, 전파 상수차는, 파장 1550㎚의 광의 도파 모드에서의 전파 상수와, 파장 1550의 광의 방사 모드에서의 전파 상수의 차이고, 이 실험에서는, 파장 1550㎚의 광의 LP01 모드에서의 전파 상수와 LP11 모드에서의 전파 상수와의 차다. 전파 상수는, 시작(試作)한 광섬유의 굴절률 분포에 기초하여, 비특허문헌 7(K. Saitoh and M. Koshiba, "Full-Vectorial Imaginary-Distance Beam Propagation Method Based on a Finite Element Scheme: Application to Photonic Crystal Fibers," IEEE J. Quant. Elect. vol. 38, pp. 927-933, 2002.)에 기재되는 2차원 유한 요소법을 이용하여 계산하였다.

샘플 1∼21의 광섬유 케이블의 각각의 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값은, 표 1∼5에 기재되는 각 파라미터의 값을 식(3), (4), (5), 및 (6)에 대입함으로써 구하였다.

샘플 1∼21의 광섬유 케이블의 각각의 온도 특성 시험 손실 증가분은 상기한 바와 같이, GR-20, Issue 4, July 2013 "Generic Requirements for Optical Fiber and Optical Fiber Cable"에 규정되는 케이블 온도 특성 시험에 의해 구하였다. 구체적으로는, 전장 1km의 케이블을 드럼에 감고, 해당 드럼을 상온의 항온조에 투입한 후, 케이블의 일단 및 타단(他端)의 각각 3m를 항온조로부터 꺼내어, OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)에 접속하였다. 상기 드럼으로서, 권회된 케이블의 중첩이 7층 이하로 되는 드럼 직경의 것을 선택하였다. 그리고, 상기 케이블 온도 특성 시험에서는, 이 드럼 직경은 측정값에 대부분 영향을 주지 않는 것이 알려져 있다. 그러므로, 상기와는 상이한 드럼 직경의 드럼을 사용하는 것도 가능하다. 다음으로, 항온조가 상온의 상태에 있어서 상기 케이블을 전파하는 파장 1625㎚의 광의 전송 손실의 값을 측정하였다. 그 후, 항온조의 온도를 1.5시간 이상 걸쳐 저하시키고, 해당 온도가 -40℃로 된 것을 확인하고 나서, -40℃의 온도를 12시간 유지한 후에, 상기 케이블을 전파하는 파장 1625㎚의 광의 전송 손실의 값을 측정하였다. 해당 전송 손실의 값과 전술한 상온에서 측정한 전송 손실의 값의 차를 구하고, 이 차를 온도 특성 시험 손실 증가분으로 하였다.

본 발명자는, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값을 가로축(X축), 온도 특성 시험 손실 증가분의 값을 세로축(Y축)으로 하는 좌표에, 샘플 1∼21의 각각의 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값 및 온도 특성 시험 손실 증가분의 값을 플롯하였다. 그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같은 산포도가 얻어졌다. 이 산포도로부터, 최소제곱법을 사용하여 함수를 구한 바, 하기 식(8)로 표시되는 양의 경사를 가지는 1차 함수가 얻어졌다. 또한, 도 4의 데이터의 상관계수는 87% 이상을 얻었다.

그리고, 도 4에 있어서, 이 1차 함수는 직선 L로서 표시되어 있다. 이와 같이, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값과 온도 특성 시험 손실 증가분의 값은 높은 상관관계를 가지고, 구체적으로는, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 온도 특성 시험 손실 증가분의 값과 대체로 양의 경사를 가지는 비례 관계에 있는 것을 알았다.

상기한 바와 같이, 광섬유 케이블에서는, -40℃에서의 상온을 기준으로 하는 전송 손실의 증가분을 0.15dB/km 이하로 하는 것이 요구되는 경향이 있다. 그래서,식(8)에 기초하여, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값을 구한 바, 해당 값이 1.2×10^-9인 경우에 온도 특성 시험 손실 증가분이 0.15dB/km보다 다소 작은 값으로 되는 것을 알았다.

따라서, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 1.2×10^-9 이하인 상기 실시형태의 광섬유 케이블(1)에 의하면, -40℃의 저온 환경 하에 있어서, 전송 손실의 증가분이 0.15dB/km 이하로 되도록 전송 손실의 증가를 억제할 수 있다.

그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 9.9×10^-10 이하라면, 전송 손실의 증가분인 온도 특성 시험 손실 증가분의 값을 0.12dB/km 이하로 할 수 있는 것을 알았다. 또한, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 7.9×10^-10 이하라면, 전송 손실의 증가분인 온도 특성 시험 손실 증가분의 값을 0.10dB/km 이하로 할 수 있는 것을 알았다.

이상, 본 발명에 대하여, 상기 실시형태를 예로 설명하였으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는, 세컨더리 피복층이 광섬유의 최외층인 예를 설명하였다. 그러나, 세컨더리 피복층의 외주에 제3 피복층으로서 착색층을 더 형성한 경우에도, 착색층의 영률이 세컨더리 피복층의 영률로 현저하게 상이한 것이 없는 한, 세컨더리 층과 착색층을 포함하여 제2 피복층, 즉, 세컨더리 피복층으로 간주하여, 본 발명에 적용하는 것이 가능하다.

또한, 상기 실시형태에서는, 시스(3)의 내부 공간 3S에 테이프 심선을 수용하여 광섬유 케이블을 구성하는 예를 설명하였다. 그러나, 내부 공간 3S에 단심의 광섬유를 복수 수용하여 광섬유 케이블을 구성해도 된다. 단심의 광섬유로 구성되는 광섬유 케이블에 있어서, 저온 환경에 있어서 시스(3)가 수축되면, 각각의 광섬유가 시스(3)에 눌린다. 그러나, 이들 단심의 광섬유는 테이프 심선의 경우와 상이하게, 다른 광섬유에 고정되어 있지 않으므로, 시스(3)에 눌린 경우라도, 테이프 심선의 경우와 비교하여 다른 광섬유에 구속되지 않고 내부 공간 3S 내를 움직일 수 있다. 이와 같이, 단심의 광섬유는 내부 공간 3S에서의 이동의 자유도가 크다. 그러므로, 각 광섬유가 시스(3)로부터 받는 압압이 경감되어 광섬유의 마이크로벤딩 손실이 작아질 수 있다. 따라서, 테이프 심선의 경우와 비교하여, 전송 손실의 증가분이 작아진다고 생각된다. 한편, 광섬유 케이블을 테이프 심선으로 구성하는 경우, 테이프 심선을 구성하는 개개의 광섬유의 이동이 해당 테이프 심선을 구성하는 다른 광섬유에 의해 구속된다. 이 점에 있어서는, 테이프 심선을 구성하는 광섬유의 심수에 의존하지 않고 동일하다. 즉, 테이프 심선에 있어서는, 개개의 광섬유의 이동의 자유도는 테이프 심선을 구성하는 광섬유의 심수에 관계없이 대략 동등하다고 생각된다. 그러므로, 광섬유 케이블을 테이프 심선으로 구성하는 경우, 각광섬유가 시스(3)로부터 받는 압압은, 테이프 심선을 구성하는 광섬유의 심수가 12심 이외의 경우라도, 12심의 경우와 대체로 동등하고, 마이크로벤딩 손실도 대체로 동등하다고 생각된다. 따라서, 12심 이외의 심수의 테이프 심선에 의해 광섬유 케이블을 구성하는 경우라도, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값과 온도 특성 시험 손실 증가분의 값의 관계는 대략 식(8)로 표시될 수 있다. 따라서, 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값을 1.2×10^-9 이하로 함으로써, 테이프 심선을 구성하는 광섬유의 심수에 의존하지 않고, -40℃의 저온 환경 하에 있어서 전송 손실의 증가분을 0.15dB/km 이하로 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 저온 환경 하에 있어서 전송 손실이 증가하는 것을 억제할 수 있는 광섬유 케이블이 제공되고, 예를 들면, 통신 인프라 등의 분야에 있어서 이용 가능하다.

Claims

코어 및 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함하는 유리부, 상기 클래드를 덮는 프라이머리 피복층, 및 상기 프라이머리 피복층을 덮는 세컨더리 피복층을 포함하는 복수의 광섬유와, 복수의 상기 광섬유를 내부 공간에 수용하는 시스(sheath)를 구비하는 광섬유 케이블로서,
상기 광섬유는,
상기 유리부의 굽힘강성을 H_f(Pa·m⁴), 상기 세컨더리 피복층의 내변형성을 D₀(Pa), 상기 세컨더리 피복층의 굽힘강성을 H₀(Pa·m⁴), 상기 유리부의 영률(Young's modulus)을 E_g(GPa), 상기 프라이머리 피복층의 영률을 E_p(MPa), 상기 세컨더리 피복층의 영률을 E_s(MPa), 상기 유리부의 외경을 d_f(㎛), 상기 프라이머리 피복층의 외주면의 반경을 R_p(㎛), 상기 세컨더리 피복층의 외주면의 반경을 R_s(㎛), 상기 프라이머리 피복층의 두께를 t_p(㎛), 및 상기 세컨더리 피복층의 두께를 t_s(㎛)로 하는 경우에,

로 표시되는 상기 광섬유의 기하학적 마이크로벤딩 손실 특성 F_{μBL_G}(Pa^-1·m^-10.5)과,
상기 광섬유를 전파하는 도파(導波) 모드에서의 전파 상수와 방사 모드에서의 전파 상수의 차를 전파 상수차 Δβ(rad/m)로 하는 경우에,

로 표시되는 상기 광섬유의 광학 마이크로벤딩 손실 특성 F_μBLΔβ(1/(rad/㎛)⁸)을 가지고,
상기 내부 공간의 공극률 a와 상기 내부 공간에 수용되는 상기 광섬유의 심수 b를 이용하여 상기 광섬유 케이블의 케이블 특성 Dc를 하기 식으로 규정하는 경우에,

하기 식으로 표시되는 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 1.2×10^-9 이하인,
광섬유 케이블:

.
제1항에 있어서,
상기 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 9.9×10^-10 이하인, 광섬유 케이블.
제2항에 있어서,
상기 마이크로벤딩 손실 특성 인자 F_{μBL_GΔβ}의 값이 7.9×10^-10 이하인, 광섬유 케이블.