KR910005841B1 - 다성분 할라이드 유기광섬유를 이용한 광섬유시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

다성분 할라이드 유기광섬유을 이용한 광섬유시스템

제1도는 이상적으로 순수한 무결함의 단일성분 유리체에 대한 진공파장의 역 1/λ 대 손실계수 α의 반로그곡선도.

제2 및 제3도는 본 발명에 따른 광섬유시스템의 제1 및 2실시예의 각각에 대한 개략도.

제4도는 분류 I 단일성분 할라이드들에 대하여, 밀도의 미소증가에 따른 결합분극율의 미소감소 Ai를 대응할라이드 음이온의 반경에 대한 대응 할라이드 양이온의 반경의 비, 즉 R_C/R_A의 함수로서 도시한 곡선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 광섬유시스템 20 : 전자기방사원

30 : 광섬유 40, 60 : 광검출기

50 : 감지기

본 발명은 일반적으로 광학시스템에 관한 것으로, 특히, 광섬유시스템에 관한 것이다.

전송매체로서 광범위한 활용하는 광학시스템들은 현재 광범위하게 사용되거나, 통신, 감지 및 광전력 전송을 포함하는 광범위한 각종 용도로 제안되어 왔다. 전형적으로, 이들 시스템은 전자기방사원, 예로서, 레이저와, 그 방사원에 의해 방출된 방사의 적어도 일부를 그 방사가 충돌되는 물체, 예로서, 광검출기에 전송하는 역활을 행하는 광섬유를 포함한다.

광섬유시스템의 설계에 있어서의 중요한 요인은 광섬유에 의해서 생기는 광전력손실이다. 이 손실은 통상적으로, 입력광전력 P_i를 출력광전력 P_o에 대해서 하기(1)식의 관계로 관련시켜 측정한다.

상기 (1)식에서, α는 광섬유의 단위길이당, 예로서, 킬로미터당 데시벨(dB/km)로 표시되는 광섬유의 손실계수이며, L은 대응길이 단위에 있어서의 광섬유의 길이이다.

예로서, 광섬유 통신시스템의 경우에 있어서, 광섬유에 의해서 생기는 광전력손실은 광섬유에 의해서 전송되는 광신호를 감쇄시킨다. 그 결과, 중계기(repeater)로 불리우는 장치들이 감쇄된 광신호의 재생을 위해서 광섬유의 길이에 따라 규칙적인 간격을 두고 위치된다. 중요한 것은 광섬유의 손실계수 α가 주로 중계기들간의 최대간격을 결정한다는 것이다. 현재, 이러한 시스템에 활용되는 광섬유들은 약 1.55마이크로미터(μm)의 파장에서 약 0.2dB/km의 최소손실을 나타내는 고순도실리카(SiO₂) 유리섬유이다. 이 최소손실값은 중계기들간의 최대거리를 약 100km이하로 제한한다.

보다 작은 광손실, 따라서, 예를들어, 보다 큰 중계기간격을 얻고자 기대하여, 다성분 할라이드 유리섬유를 활용하는 광시스템들이 제안되어 왔다(다성분 할라이드 유리는, 예로서, 둘 이상의 할라이드를 포함하는 용융물로부터 유도된 유리이다.). 이들 제안은 다성분 할라이드 유리가 약2내지 10μm의 파장에서, 실리카 유리에 의해 나타난 최소손실보다 훨씬 작은 최소의 내성(또는 고유 : intrinsic)손실(불순물, 조성변화 및 결함이외의 다른 요인으로 인한 손실)을 나타낸다는 믿음에 기초를 두고 있다.

현대의 제조기술은 다성분 할라이드유리가 최소의 내성손실을 얻고자 기대되는 전자기 스펙트럼의 파장영역을 포함하는 각종 파장영역에서 비교적 큰 광손실을 발생시킬 정도로 불순물을 함유한 다성분 할라이드 유리를 생산하게 되었다. 그 결과, 이들 유리에 대한 최소의 내성손실(진공)파장 λ_min과 대응손실계수 μ_min은 불분명하여 (현재로서는) 직접적으로 측정할 수 없다.

새로운 제조 및 정제기술이 원하지 않는 불순물(및 결함)을 곧 제거할 것이라는 기대속에서, 광학 시스템설계자들은 다성분 할라이드 유리섬유를 활용하는 광섬유시스템를 현재 설계하고 있다. 이러한 설계들은 단일성분 유리에 대해 본래 개발되었고, 그에 대해 적용될 수 있는 외삽(extrapolation)과정을 이용하여 유도된 λ_min및 α_min의 값에 기초를 두고 있다. 즉, 이상적으로 순수한 무결함의 단일성분 유리체에 대한 1/λ대 α의 반로그곡선을 포함하는 제1도에 도시된 바와 같이, 그러한 유리체에 대한 전체(내성) 광손실은 세요인의 합이다. 이들 세 요인중의 첫째는 원자가 밴드(valence band)전자를 전도밴드(conduction band)내로 촉진하는 원자가 밴드 전자에 의한 입사포톤(incident photon)의 흡수에 관련한다(흡수된 포톤의 에너지는 원자가 밴드와 전도밴드간의 에너지갭과 실제로 같거나 그보다 크다.). 전형적으로, 이같은 흡수는 자외선 영역에서(최대) 공명을 일으키며, 우르바하에지(Urbach edge)로서 알려진 지수형태로 가시 및 근적외선 영역내로 점차 사라진다(제1도 참조). 그 결과로서, α(우르바하)는 하기(2)식과 같이 된다.

상기 (2)식에서, C 및 c는 (진공)파장 λ와 대체로 무관한 점(positive)의 양들이다(우르바하 에지에 한해서는, 예로서, V.Sa-Yakanit 등의 문헌 ＂Comments on Condensed Matter Physics, Vol.13, pp.35-48(1987)＂을 참조할 것).

내성손실을 야기하는 제2의 요인은 극성광학 포논을 여기시키는 흡수, 즉, 전기쌍극자의 생성에 관련되는 이온진동이다. 이 제2형태의 흡수는 전형적으로 원적외선 영역에서 공명하며, 다포논에지(multiphonon edge)라 불리는 실질적으로 지수형태로 근적외선 및 가시영역내로 점차 사라진다(제1도 참조). 따라서, α(다포논)는 하기(3)식과 같이 된다.

상기 (3)식에서 A 및 a는 실질적으로 λ와 무관한 정의 물질 변수이다(다포논에 관해서는 H.G.Lipson 등의 문헌 ＂Physical Review B, Vol.13, pp.2614-2619(1976)＂을 참조할 것).

내성손실을 야기하는 제3의 요인은 (1) 음향포논에 의해 발생되는 전파굴절률변화(음향파를 표명하는 이온진동여기), (2) 광학포논에 의해 발생되는 전파굴절률변화 및 (3) 확산열평형 상태로 용융물에 있었으나 유리화시에 유리내로 동결되었던 밀도변동으로 인한 정적굴절률 변화를 포함하는 그 물질에 내재하는 굴절률 변화에 의한 광산란에 기인한다. 상기 (1) 및 (2)에 있어서의 산란메카니즘이 입사(진공)파장 λ으로부터 파장이 변위된 산란 방사를 발생하지만 그 변위는 (λ에 비해서)작다. 그 결과, 상기 세 내성 산란 메카니즘의 합(이 합은 제1도에 도시됨)과 연관된 손실계수는, 소위, 레일레이(Rayleigh) 형태의 하기(4)식에 의해서 상당히 근사하게 계산된다.

상기 (4)식에서, B는 λ와 무관한 물질변수이다(이 산란손실에 관해서는 M.E.Lines의 문헌 ＂Journal of Applied Physics, Vol.55, pp. 4052-4057, pp. 4058-4063(1984)＂를 참조할 것).

상기 (2) 내지 (4)식들로부터, 이상적으로 순수한 무결함의 단일성분 유리에 대한 손실계수 α는 하기 (5)식으로 주어진다.

제1도에 도시된 바와 같이, 상기 (5)식에서의 세개의 항들은 비교적 저감쇄의 광윈도우, 즉, α가 비교적 작은 파장범위를 규정한다. 중요한 것은, 절대최소손실 계수 α_min은 주손실이(레일레이) 산란 및 다포논에 관련하는, 즉, (5)식에서의 우르바하 항이 무시할 수 있을 정도로 작은 진공파장 λ_min에서의 광윈도우 내에 위치된다는 것이다. 따라서 λ_min및 α_min의 예견을 위해서, 내성손실계수 α는 다포논 항과 산란항의 합만으로 상당히 근사하게 계산되는데, 그 계산을 하기 (6)식으로 표시된다.

상기(6)식을 λ에 관해 미분하여 그 결과를 영으로 하면, λ_min및 α_min이 하기(7) 및 (8)식으로써 산출된다.

λ^-1대 α의 측정값들의 반로그 곡선들을 사용하여 다성분 할라이드 유리에 대한 λ_min및 α_min의 값을 산정하는 경우(이때에는 λ_min및 α_min이 외성손실때문에 불분명하게 된다.), 광학시스템 설계자들은 단일 성분 유리에 적용할 수 있는 기법과 버금가는 기법을 활용해 왔다. 즉, 이들 설계자는 단일지수곡선, 따라서, 단일값의 지수 a가 측정된 λ^-1대 α곡선의 분명한 영역 및 불분명한 영역에서 임의의 다성분 할라이드 유리에 대한 다포논 에지를 규정하기에 충분한 것으로 가정해 왔다. 이 가정을 근거하여, 이들 설계자는 단일지수를 분명한 데이타에 맞추고, 이 지수를 불분명한 영역으로 확장시켜 왔다. 그외에도, 광산란 기법을 사용하여 파라메터 B의 값을 결정함으로써, 시스템 설계자들은 명백히 (레일레이)산란으로 인한 손실곡선의 부분을 불분명한 영역에까지 마찬가지로 확장시켜 왔다. 이들 두 곡선의 교차점을 이용하여 λ_min및 α_min를 결정하여 왔으며, 이 방법은 상술한 미분과정과 실제로 대등하다.

따라서, 다성분 할라이드 유리섬유를 활용하는 광섬유시스템의 설계 및 개발에 종사하는 사람들은 λ_min및 α_min을 결정하는 개선된 기법을 탐구해 왔고, 계속 탐구하고 있다.

본 발명은 다성분 할라이드 유리에 대한 에지가, 일반적으로, 단일지수에 의해서 표현되지 않는다는 발견에 관련한다. 그 결과, 통상의 외삽과정을 이용하여 얻어진 다성분 할라이드 유리에 대한 λ_min및 α_min에 대한 종전의 산정치는 큰 값의 오차를 갖는다.

또한, 본 발명은 할라이드가 동일한 할로겐을 포함하는 경우, 균일한 조성의 임의의 다성분 할라이드유리에 대한 다포논 에지는 지수들의 가중합(weighted sum)에 의해 표현된다는 발견에 관련된다(이때에 각 지수는 개개의 할라이드의 다포논 흡수를 표현하고, 각 가중치는 대응 할라이드 몰분율과 같다).

레일레이 산란에 대한 항을 위에서 말한 다포논 흡수에 대한 새로운 항에 가하고, λ에 대해 미분하여, 그 결과를 영으로 함으로써, λ_min및 α_min에 대해 보다 더 정확한 값을 산출하는 식이 도출된다.

이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.

본 발명은, 특히, 광섬유통신시스템, 광섬유 감지시스템 및 광섬유(광) 전력전송시스템을 포함하는 실시예들을 갖는 광섬유 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 광섬유시스템(10)은 그의 모든 실시예(그들중의 두개는 제2 및 3도에 도시됨)에 있어서, 전자기방사원(20), 예로서, 레이저를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 전자기방사원(20)과 과 광통신을 행하는, 따라서, 전자기방사원(20)에 의해 방출된 전자기방사의 적어도 일부를 전송하는 역활을 행하는 광섬유(30)를 포함한다.

본 발명 광섬유시스템(10)의 다른 실시예들은 종종 부가적인 요소들을 포함한다. 예로서, 광섬유통신 시스템인 제2도에 도시된 실시예는 또한 광섬유(30)와 광통신을 행하는 광검출기(40)를 포함한다. 이 같은 통신에 의하여, 광검출기(40)는 전자기방사원(20)에 의해 방출되어 광섬유(30)에 의해 전송된 전자기방사의 적어도 일부를 수신한다.

제3도에 도시된 실시예는 광섬유감지시스템이다. 전자기방사원(20) 및 광섬유(30)외에, 이 실시예는(제3도에 도시된 바와 같이) 광섬유(30)나, 제2의 광섬유를 통해 광검출기(60)와 광통신을 행하는 감지기(50), 즉, 변환장치를 포함한다. 어느 경우에도, 동작에 있어서, 전자기방사원(20)에 의해 방출되어 광섬유(30)에 의해 전송되는 방사의 적어도 일부는 감지기(50)에 의해 광섬유(30)에 반사되거나 , 감지기(50)에 의해 제2광섬유에 반사 또는 전송되어, 광검출기(60)에 전송된다. 만일에 적당한 외적자극이 감지기(50)에 가해히면, 이때 감지기(변환장치)는 광검출기(60)에 전송되는 광의 특성, 예로서, 강도, 위상 및/또는 분극을 변하게 한다(이러한 변환장치에 관해서는, 예로서, ＂Proceedings of the SPIE Conference on Fiber Optic and Laser Sensors, IV, Vol. 718, September 22-24, 1986, Cambridge, Massachusetts＂를 참조할 것).

본 발명의 시스템(10)에 활용된 광섬유(30)는 다성분 할라이드 유리섬유, 즉, 둘 이상의 할라이드(플루오라이드, 클로라이드, 브로마이드 또는 요오다이드)를 포함하는 조성을 가진 유리섬유이다. 중요한 것은, 이 광섬유는 각 할라이드가 동일한 할로겐(불소, 염소, 브롬 또는 요오드)를 포함하는 적어도 하나의 물질영역을 포함한다는 것이다. 편의상, 이러한 각 할라이드는 이하에서 구조식 단위 MX_Z로 표현된다. 여기서, M은 할라이드 양이온, X는 할라이드 음이온, 그리고 Z는 양이온의 정규원자가를 표시한다(정규원자가는, 본 발명의 목적상 그리고, 통상의 관행에 따라, 할라이드 구조식 단위에 있어서 양이온 당 할로겐의 수를 표시하는 정의 정수이다). 이러한 다성분 할라이드 유리섬유는, 예로서, 둘 이상의 할라이드를 포함하는 성분을 갖는 용융물로부터 유도된 유리체로부터(통상의 기법을 사용사여) 용이하게 제조된다.

본 발명의 광섬유시스템(10)은 광섬유(30)가 종전의 그러한 시스템에 사용된 때보다 극기 작은 내성광학손실을 나타낸다는 점에서 종전의 시스템과 구별된다. 이같이 극히 작은 내성광학손실은, 본 발명에 의거하여, 광섬유(30)의 조성에 따라 전자기방사원(20) 적절하게 선정하여, 전자기방사원(20)에 의해 방출된 전자기방사의 적어도 일부의 파장이 아래에 기술하는 새로운 보다 정확한 과정을 사용해서 결정되는 그 광섬유의 최소내성손실 파장 λ_min과 실제로 같게 되도록 함으로써 성취된다(본 발명의 목적상, 어느 한 파장이 그 파장과 λ_min간의 차의 절대값이 λ_min의 10퍼센트 이하이거나, 바람직하게는 5퍼센트 이하인 경우에는 실질상 λ_min과 같다).

λ_min을 결정하는 본 발명의 과정은, 할라이드가 동일한 할로겐을 포함하는 경우 균일한 조성의 임의의 다성분 할라이드 유리에 대한 다포논 흡수로 인한 손실계수 부분이 일반적으로 단일치수로 표현되지 않는다는 발견에 기초를 두고 있다. 사실은, 각 지수는 개개 할라이드중의 하나의 다포논 흡수를 나타내고, 각 가중치는 대응 할라이드의 몰분율이라 할때에, 이 손실계수부분은 이 지수들의 가중합에 의해 결정된다는 것을 발견하게 되었다. 또한, (균일한 조성의)다성분 할라이드 유리의 손실계수에 대한 내성 산란 요인이 레일레이 형태의 단일항으로(앞에서 가정된 바와 같이) 표현된다는 것을 발견하게 되었다. 더욱이, 다포논 및 산란항들이 다성분 할라이드 유리가 최소내성손실을 나타내는 파장영역들에서의 손실계수를 지배한다는 것을 확인하게 되었다. 따라서, 이러한 파장영역에서, 할라이드가 동일한 할로겐을 포함하고 조성이 균일한 임의의 다성분 할라이드 유리의 손실계수 α는 하기 (9)식으로 표시된다.

상기 (9)식에서, i(i=1, ……, n)는 개개의 할라이드, n(n≥2)은 할라이드의 수, 그리고 X_i는 i번째 할라이드(MX_Z)_i의 몰분율을 표시한다.

중요하게는, 후술하는 한가지 예외를 빼놓고, 모든 할라이드에 대한 A_i는 할라이드 양이온의 정규원자가에 의존하며, 그에 따라 증가하는 값을 가진 상수들이라는 것을 발견하게 되었다. 즉, (정규적으로)일가, 이가, 삼가 및 사가의 양이온을 갖는 할라이드에 대하여, 대응 A_i가 제각기 0.5 ×10¹⁰dB/km, 4×10¹⁰dB/km, 4×10¹⁰dB/km 및 7 ×10¹⁰dB/km이라는 것을 발견하게 되었다. 한가지 예외는 양이온이 베릴륨이온으로서 A_i가 5 S10¹⁰dB/km인 할라이드의 경우이다.

똑같이 중요한 것은, 물리적으로, (9)식의 각 a_i가 문제의 할라이드에 연관된 극성 광학포논의 평균주파수의 역에 비례한다는 발견이다. 이를 수학적으로 말한다면, 마이크로미터(μm)의 단위로 표현하는 경우, a_i는 하기 (10)식에 의해 주어진다는 것을 발견한 것이다.

상기 (10)식에서, V_Mi는 입방센티미터(cm³) 단위의 i번째 할라이드의 몰 부피, S_i(=z+1)는 i번째 할라이드의 식단위에 있어서 이온의 수, 그리고, Z_i는 i번째 할라이드에 있어서 양이온의 정규원자가를 표시한다(할라이드의 몰 부피는, 예로서, R.C.Weast에 의해 편집된 ＂CRC Handbook of Chemistry and Physics(CRC Press, Boca Raton, Florida, 1986), Volume 67＂과 같은 참조 문헌에 수록된, 할라이드의 밀도에 대한 할라이드의 분자량의 비이다.). 또한, μ_i는 극진동, 즉, i번째 할라이드의 음이온과 이상으로 발진하는 i번째 할라이드의 양이온에 관련하는 극진동중의 i번째 할라이드의 감소 질량을 표시한다. 따라서, 만일에 양이온 및 음이온이 제각기 원자질량수의 단위로 표현된 m_M및 m_X의 질량을 갖는다면, 이때, μ_i는 하기 (11)식에 의해 주어진다.

(10) 및 (11)식을 사용하여, 다수의 단일성분 할라이드에 대한 a의 값들을 계산하여 표 1에 수록하였다.

중요한 것은, (9)식의 산란파라메터 B는 어떤 경우에는 측정이 가능하다는 것이다. 즉, 유리체로부터의 광산란은 그 측정하는 기법이 있다(이들 기법에 관해서는, 예로서, D.C.Tran 등의 문헌 ＂Electronic Letters, Vol. 22, pp. 117-118(1986)＂를 참조할 것.). 만일에 산란이 내성 산란에 의해 지배되는 레일레이 형태인 경우에는 B는 쉽게 추정된다. 그러나, 만일에 산란이 레일레이 통신이 아닌 경우, 예로서, 산란이 비레일레이 형태의 외성(또는 비고유 : extrinsic) 산란에 의해 지배되는 경우 B는 계산되어야만 한다. 이에 관하여, 임의의 다성분 할라이드 유리에서의 주 내성 산란은 용융물에서 열평형 상태로 있다가 유리화시에 유리내로 동결되어 버린 정적 밀도 변동(따라서, 정적굴절률 변화)에 기인한다는 사실이 알려져 있다.

이같은 지식을 이용, 하기(12)식의 결론은 이미 도출된 바 있다.

상기(12)식에서, n_o는 λ=λ_min에서 구해진 다성분 할라이드 유리의 굴절률(파장에 약하게 의존하는 무차원변수)를 표시한다. 또한, P는 λ=λ_min에서 유리의 (역시 파장에 약하게 의존하는 무차원의)탄성광(elasto-optic) 계수를 표시한다. 즉, P는 하기(13)식과 같다.

상기(13)식에서, ρ는 유리의 밀도를 표시하며,

는 유리의 전자 유전 상수를 표시한다. 또한 T_F는 다성분 할라이드 유리의 고정화온도, 즉, 용융물에서의 밀도변동이 유리내로 동결되는 온도를 나타낸다.

K_TT_F는 T_F에서 유리의 정적등온압축률(또는, 등가적으로, 체적탄성률의 역수)를 표시한다. 즉,

상기(14)식에서, p는 압력을 표시한다. 만일에 B가 (12)식에서 dB(μm)⁴/km의 단위를 갖게 하려면, 이때, T_F는 켈빈(K)도이고, K_T는 10^-12cm²/dyne의 단위이어야만 한다. ((12)식에 관해서, 예로서, D.A.Pinnow등의 문헌 ＂Applied Physics Letters, Vol.22, pp.527-529(1973)＂참조할 것.)

비록 (12)식이, 원칙적으로는 B의 계산을 가능케한다 할지라도, 그것은 특히, 측정되어야만 하는 탄성광계수 p에 대한 정확한 값을 필요로 한다. 불행하게도, 이들 측정값을 소수의 다성분 할라이드 유리에 대해서만 얻어지고 있다. 게다가, 이들 측정값의 재생반복 가능성에 관해 의문이 제기되는 경우가 있어서, 그에 따른 B의 측정치에 대한 정확도에도 의심이 가는 경우가 있다. 따라서, 산란변수 B에 대한 새로운 공식을 개발하게 되었다. 이 새로운 공식은 하기 (15)식으로 표시되는 발견에 기초를 두고 있다.

상기 (15)식에서, Ai는 λ=λ_min에서 산정된 다성분 할라이드 유리의 밀도 ρ의 미소변화에 따른 음이온-양이온 결합분극율 χ_b의 미소변화를 나타낸다. 즉, Ai는 하기 (16)식으로 된다.

그 결과, (12)식은 이제 하기(17)식으로 표시될 수 있다.

중요한 것은 후술하는 바와 같이, 변수 A가 조성이 균일한 임의의 다성분 할라이드 유리에 대해 용이하게 결정될 수 있다는 점이다.

(12)식 또는 (17)식중의 어떤 것이 B의 계산에 사용되는 지에 관계없이, 특정의 공통파라메터들이 그러한 계산의 수행전에 알려지거나 측정되어야만 한다. 이들 중에는 (λ=λ_min에서 산정된)다성분 할라이드 유리의 굴절률, n_o가 포함된다. 이에 관하여, λ=λ_min에서 보다는 가시파장, 즉, 약 4000 내지 7000 옹그스트롬에서의 n_o산정치가 본 발명의 목적에 적당하다는 것을 발견하게 되었다. 게다가, 많은 경우에 있어서, n_o는 이미 측정되어 발표된 바가있다. (예로서, M.G. Drexhage 의 문헌 ＂Treatise on Material Science and Technology, Vol.26, edited by M. Tomozawa et al(Academic Press, New York, 1985), pp.151-243＂를 참조할 것.) 그러나, 또 다른 경우에 있어서는, 개개 할라이드들의 굴절률 n_i만이 (가시파장에서)측정되어 있다. (일반적으로, 개개 할라이드들은 훌륭한 유리 형성자는 아니고, 전형적으로 그 성실상 결정체이다. 그 결과, 여기에서나 상기 문헌에서나, 개개 할라이드의 굴절률 n_i는 세개의 주결정축에 따른 굴절률들의 평균을 나타낸다. 단일성분 할라이드의 측정된 굴절률들에 관해서는, 예로서, 상기 ＂CRC Handbook＂ 및 S.Kondo의 문헌 ＂Journal of the Physical Society of Japan, Vol, 50, pp. 3047-3053(1981)＂를 참조할것) 이런 경우, 하기(18)식이 성립되는 것은 알려져 있다.

상기(18)식에서 X_i는 i번째 할라이드의 분획(fractional)몰 농도를 나타낸다.

일반적으로, 둘간의 차는 극히 작기 때문에, 유리전이 온도 T_g는 임의의 다성분 할라이드 유리에 대한 (12) 및 (17) 식의 고정화온도 T_F대신에 대체해도 좋다. 또한, T_g의 값은 문헌에서 쉽게 찾아진다. (T_g의 측정치에 관한 문헌으로는, 예로서, ＂Drexhage＂를 참조할 것)

전형적으로, 다성분 할라이드 유리의 T_F에서의 정적등온압축률 K_T(T_F)는 현재 공지되어 있지 않다. 또한, 개개의 할라이드들은 다성분 할라이드 유리의 고정화 온도에서 유체가 아니기 때문에, 개개의 할라이드들이 T=T_F에서 유체인 경우에 나타낼 수 있는 정적등온압축률, 즉, K_Ti(T=T_F)조차도 알려지지 되고 있다. 그러나, 많은 개개의 클로라이드, 브로마이드 및 요오다이드에 대하여, 용융물에서의, 특히, 용융온도 T_mi에서의 등온압축률 K_Ti(T_mi)가 측정되어 발표되어 왔으며, 표 2에 수록되어 있다. 또한, 많은 개개의 플루오라이드의 경우에 있어서, i,j가 물질주축들은 나타낼 때에 실온(300K) 탄성콤플라이언스 Sij(i,j=1,2,3)가 측정되어 발표되왔다. 이것은, 이들 플루오라이드의 경우에 있어서, 실온(300K)에서의 (결정)단열압축률이 실온탄성 콤플라이언스들의 공지된 특정합산치와 같기 때문에 도움이 되는 자료이다. 게다가, 이들 (결정)플루오라이드와 같은 고체의 경우, 등온압축률은 근본적으로 단열압축률과 같다. 따라서 이들 플루오라이드의 실온에서의 등온압축률, 즉, K_Ti(300K)도 실온탄성 콜플라이언스들의 특정 합산치에 의해 정확하게 얻는다. 즉, K_Ti(300K)는 하기(19)식으로 표시된다.

K_Ti(Tm) 및 S_ij의 공표된 값들에 관하여는, 예로서, G.J. Janz의 문헌 ＂Molten Solids Handbook(Academic Press, New York, 1967)＂ 및 ＂Landolt-Bornstein, Vol.III/ll, edited by K.H. Hellweger et al(Springer-Verlag, Berlin, 1978)＂를 참조할 것)

중요한 것은, 임의의 다성분 할라이드 유리의 T_F에서의 등온압축률은 개개의 할라이드들이 T=T_F에서 유체인 경우에 나타낼 수 있는 등온압축률에 하기 (20)식을 통해 관련되어 있음을 발견한 것이다.

또한, 본 발명을 통하여 하기(21),(22),(23) 및 (24)도 발견하게 되었다.

따라서, (19)식과 함께 (22) 및 (24)관계식을 이용하고, 공표된 K_Ti(T_m)의 수치를 대입함으로써, (20)식에서, K_T(T_F)가 쉽게 계산된다.

만일에, 예로서, (17)식이 B의 계산에 사용된다면, A는 정해져야만 한다. 이것은 본 발명에 의하여 다음의 과정을 사용하여 쉽게 달성될 수 있음을 발견하였다. 즉, 균일한 조성의 임의의 다성분 할라이드 유리에 대한 A값은 하기 (25)관계식을 통해서 단일성분 할라이드들에 대한 대응값들 A_i과 관계가 있다.

또한, A_i에 의해서 분류하는 경우, 세가지 분류의 단일성분 할라이드가 있음을 발견하였다. BeF₂를 제외한 모든 플루오라이드, 모든 알카리 할라이드, CaCl₂·CaBr 및 SrCl₂를 포함하는 제1분류(분류I)와, BeF·ZnCl₂및 ZnBr₂를 포함하는 제2분류(분류II)와, 나머지 모든 할라이드를 포함하는 제3분류(분류III)가 그것이다. 중요한 것은, 분류 I 의 단일성분 할라이드의 경우에 있어서, A_i는 대응 할라이드 음이온 R_A의 반경에 대한 대응 할라이드 양이온 R_c의 반경의 비, 즉, R_c/R_A의 함수이며, 그에 따라 감소한다는 것을 발견한 것이다. 이 관계는 각 형태의 분류 I 할라이드, 즉, 분류 I에 포함된 플루오라이드, 클로라이드, 브로마이드 및 요도다이드에 관하여 제4도에 도시되어 있다. 따라서, 임의의 분류 I 단일성분 할라이드에 대해 R_c/R_A의 값이 주어지면, A_i의 대응 값이 제4도로부터 쉽게 결정된다(광범위의 다양한 분류 I 단일성분 할라이드에 대한 R_c/R_A의 값들에 관하여는, 예로서, 상기 ＂CRC Handbook＂를 참조할 것). 분류 II 할라이드의 경우에 있어서는 모든 A_i가 +0.1와 같은 반면에 분류III 할라이드에 대해서는 모든 A_i가 -0.4와 같다는 사실도 발견하였다. 따라서, 임의의 다성분 할라이드 유리에 대한 A+값은 본 발명을 통하여 (25)식을 통해 쉽게 결정되었다.

변수 a_i·A_i및 B는 상술한 바와 같이, 쉽게 결정할 수 있거나 이미 결정된 수치들이므로, 저내성손실 영역에서의 α의 특정 값들은 (9)식을 통해 쉽게 계산된다. 게다가, (9)식을 λ에 관해 미분하여, 그 결과를 영으로 함으로써, 할라이드가 동일한 할로겐을 포함하는 임의의 다성분 할라이드 유리에 대해 보다 더 정확한 λ_min및 α_min을 산출하는 두개의 식이 도출된다. 이들 두개의 식은 하기(26) 및 (27)이다.

(26) 및 (27) 식을 사용하여, 할라이드가 동일한 할로겐을 포함하는 조성이 균일한 임의의 다성분 할라이드 유리에 대한 λ_min및 α_min의 값은 (이후의 실시예들에서 증명되는 바와 같이)쉽게 계산할 수 있다. 중요한 것은, λ_min및 α_min을 결정하는 본 발명상의 과정은 균일한 조성의 다성분 할라이드 유리에만 적용되는 것이 아니라, 상당히 균일한 조성을 갖는, 즉, 상대적으로 상이한(비제로)양의 동일한 구성물을 가진 영역을 포함하는 임의의 다성분 할라이드 유리에만 직접적으로 적용될 수 있음이 판명된 것이다(이러한 경우, 상이한 영역들에 대해 본 발명상의 과정을 적용하면은 오직 미세하게 다른 λ_min의 값들이 산출된다).

상당히 균일한 조성을 갖지 않는 유리, 즉, 상이한 구성물을 갖고 있는 영역을 포함하고 있는 유리의 경우에도 광전력이 상당히 균일한 조성을 갖고 있는 한 영역에만 주로 제한된다면, λ_min및 α_min을 결정하는 본 발명상의 과정은 그 한 영역에 직접적으로 적용될 수 있다.

유리가 상이한 구성물을 갖는 이 영역을 포함하는 경우에는(그리고, 광전력이 그들중의 어느 하나에 주로 제한되지 않는 경우에는), 이들 영역에 대한 λ_min의 값은 종종 크게 다르다. 그러나, 상기한 발견들은 유리전체에 대한 광손실을 최소화하는 파장의 정확한 결정을 가능케한다. 즉, 만일에 직교좌표계(ξ,η,ζ)가 유리내의 일점의 위치를 규정하는데에 사용되고 입사전자기방사가 강도가 I(ξ,η,0)인 ζ=0에 위치된 유리의 표면 S에 충돌한다면, 이때, 유리에 대한 입력 광전력 P_i는 하기(28)식과 같이 된다.

만일에 유리가 ζ축에 따라 대칭의 축을 가진 거의 균일한 (그러나 반드시 원형은 아닌)단념의 원통이고, 입사방사가 ζ방향으로 유리를 횡단하며, 원통형 유리가 길이 L을 가지며, 조성(그리고, 이에 따라 유리의 손실계수 α)이 알려진대로 위치에 따라 변한다면, 출력광전력 P_o는 하기(29)식에 의해 얻어진다.

(1)식에서 유추하여, 유리에 대한 평균손실계수

는 하기 (30)식과 같다.

(28) 및 (29)식을 (30)식에 대입하면, 하기(31)식이 도출된다.

상기

에 대한 (31)식을 λ에 관해 미분하고 (여기서, α는 (9)식에 의해 얻어지고, 변수 X_i,A_i,a_i, 및 B는 모두 ξ,η 및 ζ의 함수임), 그 결과를 영으로 함으로써, 소망의 λ_min및 α_min에 대한 ((26) 및 (27)식과 유사한)식들이 도출된다.

[실시예 1]

계수 0.57, 0.36, 0.03 및 0.04가 구성물인 단일성분의 분류 I 할라이드의 몰분율을 나타낼 때에, 다성분 플루오라이드 유리 0.57ZrF₄-0.36BaF₂-0.03LaF₃-0.04AlF₃를 고찰한다. 이것은 약성어 ZBLA로 통상 언급되고 많은 연구의 대상이 되어온 분류의 플루오라이드 유리의 하나이다. 표 1로로부터, 구성물인 단일성분 플루오라이드들에 대한 a_i값들은 점증크기 순으로 a(AlF₃)=61, a(ZrF₄)=75, a(LaF₃)=96 및 a(BaF₂)=135이다. AlF,ZrF₄,LaF₃및 BaF₂내의 양이온들은 제각기 +3, +4, +3 및 +2의 정규원가들을 갖기 때문에, 대응 A_i값들은 4×10₁₀, 7×10¹⁰, 4×10¹⁰및 2×10¹⁰dB/km으로 된다. 따라서, (9)식은 다음과 같이 된다.

(17)식으로부터, B를 계산하기 위해서는 n_o·T_F·K_T(T_F) 및 ∧가 알려져 있어야만 한다. 최초의 두 변수는 이미 알려져 있는바 (예로서, 상기 ＂Drexhage＂의 표 2를 참조할 것)

n_o=1.516 및 T_P

T_g=583K이다. 이와는 대조적으로, 최후의 두 변수는 알려져 있지 않다. 그러나, 이 ZBLA의 실온정적 등온압축률은 K_T(300K)=2.08×10^-12cm²/dyne으로 알려져 있다(상기 ＂Drexhage＂의 표 8을 참조할 것). 따라서, (23)식으로부터, K_T(T_T)

3.5K_T(300K)=7.3×10^-12cm²/dyne으로 된다. 또한, 분류 I 단일성분 플루오라이드들의 각각에 대한 R_C/R_A의 값들은 문헌(상기 ＂CRC Handbook＂참조)으로부터 R_C/R_A(AlF₃)=0.38, R_C/R_A(ZrF₄)=0.59, R_C/R_A(LaF₃)=0.80 및 R_C/R_A(BaF₂)=1.01 임을 알 수 있다. 제4도로부터, 대응 A_i값들은 ∧(AlF₃)=0.7, ∧(ZrF₄)=0.5, ∧(LaF₃)=0.3 및 ∧(BaF₂)=0.1로 된다. 따라서,

로 된다.

n_o·T_F·K_T(T_F) 및 A의 상기 값들을 (17)식에 대입하면, B=0.15(dB/km)(μm)₄으로 된다. 따라서, α=(0.04)(4×10¹⁰)e^-61/λ+(0.57)(7×10¹⁰)e^-75/λ+(0.03)(4×10¹⁰)e^-96/λ+(0.36)(2×10¹⁰)e^-135/λ+0.15/λ⁴dB/km로 된다. α에 대한 상기 함수를 λ에 관해 미분하여 그 결과를 영으로 함으로써, λ_min=2.17μm 및 α_min=0.008dB/km라는 결론에 도달한다.

[실시예 2]

다성분 클로라이드 유리 0.5 CaCl₂-0.4 BaCl₂-0.1KCl를 고찰한다. 표 1로부터, 구성물인 단일성분 클로라이드들에 대한 a_i값들은 점증크기순으로 a(CdCl₂)=183, a(BaCl₂)=207 및 a(KCl)=224이다. CdCl₂, BaCl₂및 KCl내의 양이온들은 제각기 +2, +2 및 +1의 정규원자가를 갖기 때문에, 대응 A_i값들은 2×10₁₀, 2×10₁₀및 0.5×10₁₀dB/km로 된다. 따라서, (9) 식은 다음과 같이 된다.

(17)식으로부터, B를 계산하기 위해서는 n_o·T_F·K_T(T_F) 및 ∧가 알려져 있어야만 한다. 이들 네개의 변수들중에서 T_F만이 TP

453K로 알려져 있다(M.Poulatin의 ＂Materials Reserch Bulletin, Vol. 18, pp.631-636(1983)＂를 참조할 것). 또한, 개개 할라이드들에 대한 굴절률들은 n_o(CdCl₂)=1.76, n_o(BaCl₂)=1.73 및 n_o(KCl)=1.49로 알려져 있다(상기 ＂CRC Handbook＂ 및 상기 S.Kondo et al의 문헌을 참조할 것). (18)식으로부터, 다성분 클로라이드 유리에 대한 굴절률은 n_o=1.72로 된다. 게다가, 개개 클로라이드들의 T=T_m에서의 등온압축률은 공지의 사실로 표 2에 포함되어 있으며, K_T(CdCl₂)(T=T_m)=29×10^-12cm²/dyne, K_T(BaCl₂)(T=T_m)=14×10^-12cm²/dyne, K_T(KCl₂)(T=T_m)=37×10^-12cm²/dyne이다.

따라서, (22) 및 (20)식으로부터, K_T(T_F)=14×10^-12cm²/dyne으로 된다. KCl은 분류 I 할라이드이기 때문에, 대응 ∧_i는 문헌(상기 ＂CRC Handbook＂참조)으로부터 구할 수 있는 R_C/R_A, 즉, R_C/R_A(KCl)=0.73에 의존한다. 제4도로부터, ∧_i의 값은 ∧(KCl)=0.2이다. 결정 CdCl₂및 무정형 BaCl₂는 분류 III 할라이드이므로, 대응 ∧_i값들은 ∧(CdCl₂)=-0.4 및 ∧(BaCl₂)-0.4이다. 따라서, (25)식으로부터, 다성분 클로라이드 할라이드 유리에 대해, ∧=-0.34이다. n_o·T_F·K_T(T_F) 및 ∧의 상기 값들을 (17)식에 대입하면, B=2.2(dB/km)(μm)⁴으로 된다. 따라서, α는 다음과 같다.

α에 대한 상기 함수를 λ에 관해 미분하여 그 결과를 영으로 함으로써, λ_min=5.38μm 및 α_min=0.0021dB/km라는 결론에 도달한다.

[표 1]

상당히 완전한 목록의 할라이드들에 대해 (10)식으로부터 계산된 ㎛의 다포논지수

-표시는 그 물질이 실온에서 고체형태로 존재하지 않음을 나타낸다.

？표시는 (10)식에 삽입할 몰 부피 V_M에 관한 데이타가 없는 경우를 나타낸다.

[표 2]

용융온도 T_m에서의 할라이드 용융물 등온압축률 K_T(10^-12cm²/dyne의 단위). 문헌에서 취했거나 외삽하였음.

Claims (4)

1. 전자기방사원과 ; 상기 전자기방사원과 광통신을 하여, 상기 방사의 적어도 일부를 전송하기 위한, 유리체를 포함하는 전송수단을 포함하는 광학시스템에 있어서, 상기 유리체는 제각기 동일한 할로겐을 포함하는 적어도 두개의 할라이드를 포함하는 조성을 가진 적어도 하나의 물질영역을 포함하고, 상기 전자기방사원은 상기 전자기방사의 적어도 일부의 파장이 λ_min, 상기 유리체전체에 대한 광손실계수

   

   가 최소화 되는 파장과 실질적으로 동일하도록 상기 유리체의 조성에 관련하여 선택하며, 상기 물질 영역의 각 점에서의 손실계수 α가 개개의 할라이드들과 연관되고 제각기 상기 각 점에서의 대응 할라이드 몰분율과 동일한 가중치로서 가중된 다포논 흡수들과 상기 각 점에서 상기 물질영역에 연관되는 내성산란의 합과 동일한 것을 특징으로 하는 광학시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 유리체가 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 전송수단과 광통신을 하는 전자기방사의 검출기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 광학시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 전송수단과 광통신을 하는 감지기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 광학시스템.

Images