KR960001319B1 - 광섬유 - Google Patents

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알프레드 리드 윌리암
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아메리칸 텔리폰 앤드 텔레그라프 캄파니
엘리 와이스
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Abstract

내용 없음.

Description

광섬유
제1도는 본 발명에 따라 만들어진 광섬유의 단면도.
제2 내지 4도는 본 실시예의 광섬유에 대해 반경거리와 굴절율의 변화를 도시한 도면.
제5도는 본 발명에 따른 실시예 섬유의 측정된 굴절율 형태를 도시한 도면.
제6도 및 제7도는 제3도에 도시된 바와 같은 광섬유 구조에 대해 제로 분산의 파장대 여러가지 최대코어 굴절율에 대한 코어 직경을 도시한 도면.
제8도는 제3도에 도시된 광섬유 구조에 있어서 코어로부터 여러가지 트렌치 (trench) 간격에 대한 코어직경대 제로 분산의 파장을 도시한 도면.
제9도 및 제10도는 제3도에 도시된 바와 같은 섬유 구조에 대해 트렌치가 없는 여러가지 코어 반경에대한 파장대 분산을 도시한 도면.
제11도는 광섬유를 포함한 광섬유 통신 시스템을 도시한 도면.
제12도는 본 발명에 따른 광섬유의 굴절 형태를 도시한 도면.
제13도는 본 발명에 따른 섬유와 종래 기술의 섬유의 굴곡 손실에 대한 데이타를 도시한 도면.
제14도는 종래 기술 섬유에서 굴절율 형태를 도시한 도면.
제15로는 제14,16 및 제17도의 섬유에 대해 a/a1의 함수로서 누적된 모드 파워를 도시한 도면.
제16 및 17도는 본 발명의 굴절율 형태를 개략적으로 도시한 도면.
제18도는 종래 기술의 섬유 형태를 도시한 도면.
제19도는 본 발명의 섬유 형태를 도시한 도면.
제20도는 종래 기술의 섬유 형태를 도시한 도면.
제21도는 본 발명의 섬유 형태를 도시한 도면.
제22도는 제20도 및 21도의 섬유에 대해 분산곡선을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 광섬유 12 : 제 1 클래딩 부분
13 : 트렌치 부분 14 : 제 2 클래딩 부분
20 : 코어
본 발명은 단일 모드 광섬유에 관한 것이다. 광섬유는 광통신 시스템에 사용되기 때문에 최근에 상업적으로 중요하게 되었다. 상기와 같은 통신 시스템은 종래의 통신 시스템에 비해, 아주 큰 대역폭 및 높은 정보전송 속도, 광섬유 제조를 위해 원료를 쉽게 구할 수 있으며, 펄스 코드 변조 전송에 대한 용이한 적응성 등을 포함한 여러가지 장점이 있다. 상기와 같은 광섬유를 통해 최소의 손실 및 분산으로 광신호의 전송을 보장하기 위해 광섬유의 제조에 있어서 정밀한 제조 기준과 구조제어가 필요하다. 대역폭, 필요한 중계국 거리 및 제조의 용이성 등을 증가시키기 위해 계속 개선이 이루어지고 있다. 실제로, 여러가지 응용을 위한 광섬유 특성의 정밀한 설계 및 제어는 광섬유 제어에 관련된 것을 위한 지속적인 활동이다.
현재, 광섬유 통신 시스템에 이용되는 광섬유는 2가지 형태가 있다. 이른바 단일 모드 섬유라 불리는 한자지 형태의 섬유는 비교적 작은 코어 부분을 가지며, 굴절율이 낮은 비교적 큰 클래딩 부분을 갖는다. 이는 광섬유가 단지 한가지 전자기 모드가 저손실로 전송이 되도록 하는 특성을 갖는다. 단일 모드 섬유의 장점은 비교적 대역폭이 크고, 비교적 낮은 분산 및 중계국 사이에 비교적 큰 거리를 갖는 것 등이다. 다른형태는 다중 모드 섬유이다.
상기 2가지 형태의 섬유에서 저손실, 낮은 분산, 높은 대역폭 등과 같은 최적 성능은 거의 굴절율의 형태에 따라 다르다. 상기 최적의 굴절율 형태는 다른 파장 광섬유의 형태등에 대해서 다를 수도 있으며, 서로 다른 응용분야(예, 최대 대역폭, 중계국 사이의 최대 거리 등)에 따라 광섬유가 다르게 설계될 수 있다.
광섬유를 만드는데 여러가지 방법이 이용되었다. 이러한 방법은 1981년 3월 24일 엠. 제. 안드레코 및 제이. 비. 체스네이의 미합중국 특허 제4,257,797호 및 1981년 11월 24일 제이 비 . 맥체스네이의 미합중국 특허 제4,302,230호를 참조로 할 수 있다. 광섬유를 제조하는데 있어서 특히 유리한 한가지 방법은 변형된 화학 중기 중착 공정(MCVD)이다. 이 공정은 미합중국 특허 제4,217,027호, 제4,262,035호 및 제4 ,331,462호에 기술되어 있다.
상기 응용은 단지 단일 모드 섬유와 관련이 된다. 양호하게 공지된 바와 같이, 상기와 같은 섬유는 비교적 낮은 굴절율의 하나 이상의 동심형 부분(클래딩)으로 둘러싸인 비교적 높은 굴절율의 중심부분(코어)을구비한다. 오늘날 사용되는 모든 통신 형태의 광섬유에서 코어와 내부 클래딩 부분은 광 손실이 낮은 실리카 기본 재질로 구성이 된다. 상기와 같은 클래딩 재질은(이하 ″저손실″ 클래딩 재질이라 함) 어떤 적당한 공정에 의해 생산될 수 있으며 현재 특히 적당한 반응 및 적당한 기판에 부착시켜 형성된다. 현재 사용되는 전형적인 섬유는 비교적 높은 광손실 재질(예, 100db/km 정도의 손실을 갖는)로 구성된 외부 클래딩 부분을 구비한다. 상기 고손실 클래딩 재질은 예를들어 예비 존재성 실리카 기본관 또는 실리카 기본 오버클랙드로부터 만들어질 수 있다. 섬유는 ″고손실″의 클래딩 재질이 광방사의 유도에 있어서 실제 아무런 역할을 하지 않도록 설계된다. 저손실과 고손실 클래딩 사이의 경계를 한정하는 반경은 본원에서 ad로 표시한다.
단일 모드 광섬유의 설계에서의 개량은 전송 특성(손실, 대역폭, 분산 등)을 개선과, 광섬유의 용이한 제조 및 광섬유의 특성 변수 감소에 있어서 상당히 바람직하다. 특히, 손실이 최소인 파장에서 분산 최소(또는 제로)가 생기는 제손실 광섬유 설계는 아주 바람직하다. 또한, 파장 다중화 응용에 있어서, 소정의 파장범위에 대해 분산을 최소화시키는 광섬유 설계는 아주 바람직하다. 또한, 손실을 최소화하고, 양호한 모드제한을 보장하고 굴곡 손실에 대한 섬유의 민감성을 감소시키기 위해 섬유 변수를 조정하는 것이 바람직하다. 저손실 단일 모드 섬유 구조는 미합중국 특허 제4,435,040호 및 미합중국 특허 제4,447,127호에 기술되어있다.
여러가지 섬유 구조는 책자에도 기술되어 있다. 많은 이러한 구조는 1983년 뉴욕주의 마르셀 덱커사의 엘비. 젼홈 저서 ″단일 모드 섬유 광학 원리 및 응용″에서도 논의되어 있다. 다중 클래드 구조를 갖는 흥미로운 단일 모드 광섬유가 미합중국 특허 제3,997,241호에 기술되어 있다. 1983년 7월 20일 공개된 유럽 특허출원 제82306 476,1호에는 코어가 강하된 굴절율부를 포함하는 클래딩과 코어를 갖는 흥미로운 섬유 구조가 공지되어 있다. 1584년 12월 5일 공개된 유럽 특허출원 제84303402,6호를 참조로 할 수 있다.
광파 통신 시스템을 위해 사용된 단일 모드 광섬유에 있어서 저손실 작동의 파장(예를들어 1.55μm를 포함하여)에서 제로 또는 거의 제로 분산을 갖는 상당히 넓은 파장 범위를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 광섬유가 통신 시스템의 의도하는 작동 파장 부근의 비교적 넓은 파장 범위에 대해 저손실, 단일 모드 전파를 제공하며, 섬유 사이의 용이한 결합 및 저결합 손실을 허용하는 스포트 크기를 가지며 비교적 낮은 굴곡 손실을 나타내는 그러한 설계를 하는 것이 바람직하다.
단일 모드 섬유 설계시의 일반적으로 바람직한 특성은 하나 이상의 섬유 변수에서 작은 변화에 대해 섬유의 전파 특성의 둔감성, 섬유의 제로 분산 파장 λo에서와 부근에서 분산 대 파장 곡선의 비교적 작은 기울기이다. 저손실 클래딩 재질의 비용이 고손실 클래딩 재질의 비용보다 훨씬 비싸기 때문에 소정의 성능 기준(굴곡 손실 및 감쇄)을 달성할 수 있도록 비교적 작은 두께의 저손실 클래딩을 이용하는 것이 바람직하다. 광섬유 설계시의 다른 중요한 특성은 광섬유의 산란 손실이 도핑 레벨에 따라 중가하기 때문에 코어에서 비교적 낮은 도핑 레벨로 소정의 전파 특성을 이룩할 수 있어야 한다. 어떤 경우 섬유는 낮은 색도 분산의 비교적 스펙트럼 부분을 갖는 것이 바람직하다.
단일 모드 광섬유의 상업적 중요성에서 볼때, 광섬유의 하나 이상의 상술된 바람직한 특성을 가져오거나 개량시키는 비교적 단순한 구조는 상당히 관심을 끌게 될 것이다. 이러한 응용은 상기와 같은 특성을 구비하는 광섬유 형태에 대해 나타낸다.
본 발명은 섬유의 코어의 외부와 섬유의 코어의 내부에서 강하된 굴절율 링 또는 트렌치 영역을 갖는 단일 모드 광섬유에 관한 것이다. 본원에서, 코어는 광섬유에서 광파워의 대부분(예를들어 약 50% 이상) ,λop에서 포함하는 광섬유의(비교적 고굴절율의) 중심 영역을 의미한다. 일반적으로, 본 발명은 코어 부분과 클래딩 부분에 대해 여러가지 굴절율 형태를 포함한다. 트렌치 부분은 제 1 클래딩 부분에 의해 코어 부분으로부터 분리된다. 광섬유는 상기에서 참조된 변형 화학 증착 공정(MCVD)을 포함한 다양한 공정에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 광섬유는 최소한 하나의 작동파장 λop에서 단일 모드 작동을 하도록 구성되어 있다. 이는 코어와 코어 둘레를 접촉 상태로 둘러싸는 클래딩을 구비한다. 코어는 굴절율 n1(a)(여기서 a는 섬유의 반경방향 좌표) 및 반경 a1을 갖는다. 클래딩은 λop에서 a＞ap를 갖는 섬유 단면의 부분내로 누적된 모드 파워의 10-12만을 연장시키는 조건에 의해 규정되는 반경 ap까지 a1으로부터 연장되는 것으로 고려될 수 있다.
클래딩은 a1으로부터 반경 a2까지 연장되며 굴절율 n2(a)을 갖는 제 1 클래딩과, a2에서 반경 a3까지 연장되며 굴절율 n3(a)를 갖는 트렌치와 a3의 외방으로 연장되며 a1＜a2＜a3＜ap와 함께 굴절율 n4(a)를 갖는 제2 클래딩을 구비한다.
n3(a)의 최대값은 n2(a)의 최소값 이하이며, n4(a=a3) 이하이고, 트렌치와의 경계부분에서 제 2 클래딩 부분의 굴절율이다. 제 1 클래딩 부분 트렌치 및 제 2 클래딩의 내부부분은 ″저손실″ 재질이며, 상기 저손실 재질의 굴절율은 어느 곳에서 n1(a)의 최대값보다 작다.
트렌치 변수(예, a2a3및 n3(a))는 트렌치를 갖지 않는 제 2 광섬유에 대해 하나 이상의 섬유 특성이 개선되도록 선택이 된다. 트렌치 수단에 의해 개량될 수 있는 섬유 변수 중에는 색도 분산 대제로 분산 파장 λo에서 파장의 곡선의 기울기(감소될 수 있음)와, 색도 분산의 절대치가 소정의 값보다 적은 것에 대한 스펙트럼 범위(증가될 수 있음)와, 주어진 스펙트럼 범위에서 색도 분산의 최대 절대치(감소될 수 있음)와, 주어진 곡율 반경에서 굴곡 손실(감소될 수 있음)과, ad/a1비(감소될 수 있음)와, 튜브로 만들어진 재질의 광특성(저손실, 저렴한 비용, 사용될 수 있는 재질)과, ad에서 누적된 모드 파워(감소될 수 있음), 코어에서 도펀트 농도(낮은 산란을 유도하도록 감소될 수 있음)와, 코어 반경에서 λo의 종속도(제조가 용이하도록 감소될수 있다)등이 있다. 적당한 조건하에서 굴절 트렌치는 λo를 더 짧은 파장으로 변환시키는데 이용될 수 있다.
″n(a)″ 표시는 굴절율이 반경이 함수(일정한 굴절율을 제외시키지 않고)이다는 것을 나타내려고 한다.
그러나 명료성을 위해 굴절율은 반경의 함수로 굴절율의 일정성을 의미하지 않고 n로 표시된다.
넓게 보았을때, 본 발명은 하나 이상의 굴절 트렌치를 구비하는 제 1 광섬유이다. 트렌치는 광섬유의 하나이상의 특성이 다른 광섬유 특성에 나쁜 영향을 주지 않고 개선이 될 수 있도륵 선택이 된다. 이러한 개선은 제 1 광섬유(구조 및 전송 특성 모두에 있어서)와 아주 유사하지만 트렌치를 구비하지 않는 제 2 광섬유의 특성에 대해서이다. 어떤 설명된 차이점을 제외하고는 제1 및 제 2 광섬유가 동일하다는 설명은 2개의 섬유가 거의 모든면(조성물 굴절 형태 및 광손실과 같은 전송 특성)에서 거의 같다는 것을 나타낸다. 전형적으로 제 2 광섬유는 본 발명(제1)의 섬유와 같은 n1(a), a1, n2(a), a2, n4(a) 및 a3의 값을 갖지만 제 2 섬유에서는 n3(a)=n2(a=a2)이다. 즉 말해서, a2에서 a3까지 부분에서 제 2 섬유 굴절율은 일정하며, a2에서 n2(a)의 값과 동일하다. 제 2 섬유에 대해 약간 다른 형태는 다음에서 상세히 설명하는 바와 같이 어떤 경우에는 적당할 수도 있다.
본원의 논의가 통칭 장방형 단면의 단일 트렌치로 된 섬유에 대해 기술하고 있지만, 하나 이상의 트렌치를 갖는 형태에 대해서도 고려할 수 있다. 상기와 같은 형태로 단일 트렌치로 가능한 것 이상의 더 많은 섬유 특성에 영향을 주는 것도 가능하다. 전형적으로 그러한 트렌치가 a3외부의 광섬유 부분에 위치될 수 있다. 또한 트렌치는 통칭 장방형 단면을 가질 필요는 없으며, 제12도의 실시예와 같은 복합 단면을 포함하여 다른 적당한 단면(예를들어 사다리꼴)을 가질 수 있다.
모든 경우 트렌치는 트렌치의 존재가 섬유의 광학 특성에 영향을 미치는 형태로 위치된다. 이는 광섬유에서 전파되는 전체 광파워의 대부분이(λop에서) 최외각 트렌치의 내부 반경 넘어로 연장되는 것을 요구한다.
상기 비율은 10-2정도 또는 더 클 수 있으며, 10-6정도로 작거나 더 작을 수도 있다. 최외각 트렌치의 내부 반경은 ap보다 작기 때문에 상기 내부 반경을 지나서 섬유에서 전파되는 전체 광파워의 비율은 전형적으로 10-12보다 크다.
본 분야의 기술에 숙련된 사람에게 알려진 바와 같이 실제 광섬유는 책자 및 본원에서 전형적으로 기술된 이상적인 형태와 다른 굴절 헝태를 갖는다. 이상적인 형태로부터의 이탈은 피할 수 없는 제조한계(예 : 몇몇 섬유의 코어에서 중심 딥(dip)은 붕괴 동안 도펀트의 손실로 인한 것이다) 또는 제조 공정의 불리적한계(예 : 도펀트 확산은 굴절 형태의 날카로운 특성을 둥글게 한다) 때문이다. 이상적인 상태로부터의 이탈은 잘 이해될 수 있으며, 이들의 존재에도 불구하고 실제 광섬유의 특성이 이상적인 굴절 형태로 계산된 광섬유의 특성과 아주 가깝게 된다.
본 발명은 코어의 외부에 최소한 하나의 굴절 트렌치(또는 압착형 굴절 링)를 갖는 단일 모드 광섬유이다. 넓은 의미에서 본 발명은 광섬유의 광전파 특성에 영향을 미치는 위치의 클래딩 부분에 있는 최소한 하나의 굴절 트렌치를 포함하는 단일 모드 광섬유에 관한 것이다. 상기와 같은 광섬유 구조의 주된 장점은 트렌치의 위치, 트렌치 폭 및 트렌치 굴절율 등을 조정하여 섬유 특성을 조정하기 용이한 것이다. 상기 섬유는 큰 손상없이 양호한 섬유 특성으로 유용한 파장(예를들면 1.31 및 1.55μm 정도의)에 대해 허용될 수 있다.
본 발명의 광섬유는 다음과 같이 기술될 수 있다. 상기 섬유는 서로 다른 굴절율 및 서로 다른 반경 두께로 동심의 투명 재질로 만들어질 수 있다. 전형적으로 섬유의 전파 특성에 영향을 주는 4개의 부분이 있다.
이들은 굴절율 n1(a)와 반경 a1을 갖는 코어 부분과, 반경 a1에서 반경 a2까지 연장되는 굴절율 n2(a)를 갖는 제 1 클래딩 부분과, 반경 a2에서 반경 a3까지 연장된 굴절율 n3(a)의 트렌치 영역과, a3로부터 상술된 반경 ap까지 연장된 굴절율 n4(4)를 갖는 제 2 클래딩 부분이 있다.
어떤 목적을 위해서 예를들어 섬유의 임계부분(반경이 ap보다 작은)내에서 하나 이상의 트렌치와 같은 전파에 영향을 주는 섬유 부분을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 원리는 다중 트렌치의 사용에 쉽게 직용될 수 있다. 그래서 대부분의 논의사항은 단일 트렌치에 대해 하기로 한다.
각 클래딩내의 굴절율은 일정할 필요는 없지만 반경의 함수로 변할 수 있다. 특정 파정 부분(예 관심대상의 파장 부분에서 제로 분산 또는 낮은 분산)에 대해 저손실 및 유리한 특성을 나타내며 비교적 제조가 용이한 여러가지 실시예가 기술되어 있다. 많은 경우, 트렌치 부분은 비교적 일정한(통상 일정하지 않음) 굴절율을 가진 부분에 의해 코어로부터 분리된다.
광섬유의 구조는 굴절율이 다양한 부분으로 규정이 될 수 있다. 첫째 코어 영역의 최대 굴절율은 부착된 클래딩의 어떤 굴절율보다 크다. 둘째 트렌치 부분의 최대 굴절율은 제 1 클래딩 부분의 최소 굴절율과 a3에서 제 2 클래딩 부분의 굴절율 보다 작다.
본 발명의 섬유 구조의 중요한 특징은 코어 부분을 트렌치 영역으로부터 분리시키는 제 1 클래딩 영역의 존재 및 특성이다. 상기 영역의 두께는 섬유의 제조시에 눈으로 보아 결정되는 최소치(약 1미크론)로부터 트렌치가 섬유의 전파 특성에 영향을 미치는 조건과 일치하는 최대치까지 변할 수 있다. 여러 섬유 부분의 굴절율은 전후를 통해 기술된 요건을 고려하여 상기 굴절율이 제공되는 경우, 변할 수 있다. 실제로 코어부분내에서 굴절율의 변화는 섬유의 여러가지 광학 특성을 조절 또는 최적화 시키기 위해 가끔 이용된다. 최대 굴절율은 섬유의 중심 또는 부근에서 생기며, 굴절율은 코어의 연부로 갈수록 증가한다.
상기 규정된 부분은 섬유의 전파 특성에 영향을 미치는 섬유의 부분에 적용되며, 섬유를 보호하기 위해 사용된 여러가지 피복(유리, 플래스틱 또는 다른 물질)의 사용을 배제하지는 않지만, 섬유의 전파 특성에 실제로 영향을 미친다. 일반적으로 반경 바깥의 파워가 반경 내부의 파워의 10-12보다 작은 섬유 반경에서 섬유 재질은 본 발명에 따라 만들어진 섬유의 광전파 특성에 거의 영향을 미치지 않는다.
제1도는 본 발명에 따라 만들어진 광섬유(10)의 단면을 도시한다. 광섬유는 섬유의 중심축에 대해 축대칭으로 분포된 여러가지의 투명 재질로 구성이 된다. 다른 부분은 각 부분내에서 일정하지 않은 굴절율로 규정이 된다. 광섬유는 굴절율 n2를 갖는 제 1 클래딩(12)에 의해 둘러싸인 중심에 도시된 굴절율 n1을 갖는코어 부분으로 구성된다.
제 1 클래딩 부분은 굴절율 n3를 갖는 트렌치 부분(13)에 의해 둘러싸이며 다음 트렌치 부분을 굴절율 n4를 갖는 제2클래딩(14)으로 둘러싸인다. 유리 코딩을 포함한 다른 코팅은 보호 목적, 강도 보강 취급용이등을 위해 외부 클래딩 부분(14)을 둘러쌀수도 있지만 광섬유의 전파 특성에 영향을 미쳐서는 않된다. 많은 응용분야에서, n2, n3및 n4는 거의 일정하다.
섬유의 굴절율 형태는 섬유를 이루는 투명 재질의 상대 굴절율로 기술이 된다. 굴절율의 약간의 차이에있어서, i번째 섬유와 관련된 상대 굴절율은 다음과 같이 주어진다.
[수학식 1]
Figure kpo00001
여기서 n0는 기준 굴절율(본 예에서는 도프되지 않는 유리 실리카의 굴절율)이며 ni는 섬유의 i번째 부분을 구성하는 투명 재질의 가변 굴절율이다.
이해를 돕기 위해 본 발명에 대한 몇개의 실시예를 기술하기로 한다. 제2도는 본 발명에 따라 만들어진 실시예의 섬유의 반경대상대 굴절율의 그래프를 도시한다. 굴절부는 코어(20), 제1 및 제 2 클래딩 부분(21,23)과 트렌치(22)를 구비한다. 상기 형태에서, 본원에 도시된 모든 다른 형태와 마찬가지로 굴절율 및 반경을 정확한 크기로 표시하지는 않았다. 예를들어 제 2 클래딩 부분은 다른 유리 성분이 사용될 수도 있지만 도프되지 않은 실리카 유리로 만들었다. 제2도에 주어진 실시예에 있어서 (제1 및 제 2 클래딩 부분은 대략같은 굴절율을 갖는), 제 1 클래딩 부분은 다른 유리 성분이 이용될 수 있지만, 실리카 유리로 편리하게 만들어질 수 있다. 실리카의 굴절율을 증가시키기 위해(코어 부분에서) 게르마니아가 자주 사용되며(예를들어,트렌치 영역에서) 굴절율을 감소시키기 위해 불소가 자주 사용된다.
제3도는 코어 부분(30)에서 굴절율이 반경에 따라 변하는 섬유에 대한 반경대상대 굴절율의 그래프를 도시한다. 제3도에서 코어의 상대 굴절율은 섬유 중심에서부터 반경 거리에 따라 선형으로 감소한다. 포물선, 사다리꼴 형태 등과 같은 상기 굴절율 변화는 유용하게 사용된다.
제4도는 삼각형 코어 굴절율 형태를 갖는 이른바 압착형 클래딩 형태인 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 제 1 클래딩 부분(21)과 제 2 클래딩 부분의 내부 부분(40)은 제 2 클래딩 부분의 외부 부분(41)(″고손실″도프되지 않은 실리카)의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖도록 도프가 된다. 도시된 바와 같이 코어(30)는 강하게 도브되며, 제 1 클래딩 부분과 내부의 제 2 클래딩 부분은 비교적 가볍게 도프되며, 트렌치 부분은 더욱 약하게 도프된다. 상기와 본원에서 논의된 섬유를 제조하기 위한 기술은 본 분야의 기술에 숙련된 사람에게 양호하게 공지되어 있다.
본 설명에서 기술된 대부분의 굴절율 형태는 약간 이상적으로 되어 있다. 왜냐하면 실제 섬유에서 굴절율의 급격한 변이는 사용된 제조 기술때문에 통상 완만하게 변이되기 때문이다. 제5도는 삼각형 굴절율 형태의 코어(30), 압착된 제 1 클래딩 부분(21), 트렌치(22) 및 제 2 클래딩 부분(23)을 갖는 본 발명의 섬유의 실시예를 실험적으로 측정한 굴절율 형태를 개략적으로 도시한다.
또한 섬유의 굴절율 구조에서의 선호도는 여러 부분의 크기(반경)와 연관된다. 첫째로, 여러 부분은 통상 a1＜a2＜a3＜ap인 왼형 단면을 갖는다. 또한 코어 부분(a1)의 반경은 통상 1.5와 10μm 사이이며, 제 1 클래딩 부분(a2-a1)의 반경 두께는 코어 부분의 반경의 1/10 내지 20배이다. 그리고 트렌치 부분(a3-a2)의 반경 두께는 1미크론 내지 코어 부분의 반경의 5배 정도이다. 코어의 최소 반경 또는 반경 두께, 제 1 클래딩 및 트렌치 영역은 일반적으로 섬유 제조에서 편의를 위해 제한이 된다. 상기에서 주어진 최대치 보다 더 넓은 트렌치 영역이 사용될 수도 있지만 통상 증가된 폭은 섬유의 전파 특성에 큰 영향을 미치지 않는다. 마찬가지로, 제 1 클래딩의 최대 반경 폭은 트렌치 부분이 섬유의 전파 특성에 영향을 미칠 수 있도록 코어에 충분히 가까워야 한다는 사실에 의해 제한이 있게 된다.
상술한 바와 같이 제 2 클래딩 영역은 통상적으로 상기 반경 외부의 누적된 파워가 전체 파워의 10-12이하로 되는 반경까지 규정이 된다. 이러한 조건을 고려하면 제 2 클래딩 영역의 반경 두께 ap-a3는 통상적으로 1.0과 35μm 사이이다. 섬유의 전체 직경은 일반적으로 60 내지 200μm 사이며 125μm가 바람직하며 통상 ad≤ap형태도 나타낸다.
양호한 섬유 칫수는 다음과 같다. 코어 반경(a1) 은
Figure kpo00002
내지 5μm이며 제 1 클래딩 부분의 반경 두께(a2-a1)는 1/2 코어 반경(a1)의 1/2 내지 10배이다. 그리고 트렌치 영역의 반경 두께는 코어 반경의 1 내지 5배이다.
광섬유 굴절율 형태 가장 적당한 형태는 1983년 11월호 ″AT & T 테크 니칼 저널″ 제62권 제9호 2663호 페이지 내지 2694페이지에 공개된 ″무한소 방법과 EISPACK를 이용한 광섬유에서의 모드 계산″이란 티.에이.레나한의 논문과 같이 컴퓨터에 의한 모델 형성 연구를 이용할 수 있다. 본 분야의 기술에 숙련된 사람에게 양호하게 공지된 바와 같이, 상기와 같은 연구는 거의 모든 중요한 섬유 변수 예를들어 제로 분산파장, 제로 분산 파장(λo)에 대한 공차 곡선, 모드 실효 굴절값(△eff), 차단 특성, 모드 파워 형태, 최소 클래딩 두께 조건 등을 계산하는데 이용될 수 있다.
가장 적당한 과정은 제3도 및 4도에 도시된 바와 같이 삼각형 코어 광도파 구조에 대해 설명하기로 한다. 상기 형태의 섬유는 분산 변위로 저손실을 이룩하며, 다른 공지된 장점을 갖는다.
많은 여러가지 설계 조건은 광섬유의 가장 최적 설계 형태를 보이고 있다. 예를들어 코어 반경에서 λo의 종속도를 최소화시키는 것이 바람직하다. 또한 낮은 굴곡 손실을 위해 도파 모드의 △eff를 유지하는 것이 바람직하다.
제3도에 도시된 형태 광섬유 설계에 있어서, λo대 코어 직경(d=2a1)에 대한 곡선이 나타나 있다. 이러한 곡선은
△3=-0.35%, a2/a1=1.5(a3-a2)=a1
및 0.7 내지 0.1% 사이의 △1(MAX)의 여러가지 값에 대해 제6도에 나타나 있다. 제7도는 코어(a2/a1=3.5)로부터 같은 트렌치 배치 3.5 코어 반경에 대해 동일한 형태의 곡선을 도시한다. 제8도는 1과 3.5사이의 같은 트렌치 a2/a1과 △1(MAX)=0.9%에 대해 코어 직경상의 λo의 종속도를 도시한다. 사용된 변수의 범위에 있어서, 제6도는 λo＞1.4λm에 대해 λo의 값은 코어의 직경에 따라 아주 달라지는 것을 도시한다. 제7도는 표시된 변수에 대해서 λo의 영역과 λo가 코어 직경에 비교적 적게 의존되는 코어 직경이 존재한다는 것을 도시한다. 상기와 같이 적게 의존된다는 것은 코어 직경에서 작은 변화는 λo에서 거의 변화가없기 때문에 양호한 제조를 의미한다. 개량된 제조는 코어로부터의 중간 간격에서 트렌치의 존재 때문이다.
이는 제8도에서 증명이 되어 있으며, 코어에 따른 λo의 의존성이 a2/a1가 감소함에 따라 증가하는 것을 나타낸다.
제9도는 △1(MAX)=0.9%, △3=-0.35%, a2/a1=1.5,(a3-a2)=a1이며 제3도에 도시된 형태의 섬유에 대해 파장 분산과 서로 다른 코어 반경을 도시한다. 코어 반경이 감소됨에 따라 파워는 클래딩 내에까지 연장이 되며 트렌치는 짧은 과장에서 분산에 영향을 미친다. 이러한 효과는 분산 스펙트럼을 하부로 이동시키며 색도 분산 곡선이 제로 분산축에 접선이 될 때까지 서로 더 가까워지도록 2개의 제로 분산 파장을 이동시킨다. 아주 작은 직경에 대해서, 색도 분산 곡선은 완전히 제로 축 이하로 이동시킨다. 비교를 위해 제10도는 제 2 섬유에서 트렌치를 없앤 것을 제외하고는 제 9 도의 섬유와 거의 같은 굴절율 형태를 갖는 제 2섬유에 대해 분산 스펙트럼을 도시한다. 이들 곡선은 광섬유의 전파 특성을 개선함에 있어서 트렌치가 별쓸모없음을 도시한다. 특히 이들은 상기 특수한 경우 트렌치의 부가가 낮은 색도 분산(예 2ps/km.nm 이하)의 파장 영역을 확장시켰다는 것을 입증한다. 또한 트렌치 섬유는 도시된 코어 직경이 몇몇에 대해 제10도의 기준 섬유보다 낮은 제로 분산에서 낮은 분산 기울기를 나타낸다.
제3도에 도시된 형태의 굴절율 형태에 있어서, 상술된 과정은 다음과 같은 양호한 굴절율을 나타낸다. a1이 2.5와 3.5μm, a2/a1이 1.5와 3.5 사이, a3-a2가 6과 18μm 사이, 제 2 클래딩 영역이 a3에서 ap까지 연장되었을때 그리고 내부에서는 낮은 클래딩 영역을 그리고 외부에서 ″고손실″ 영역을 구비할때이다. 양호한굴절율은 다음과 같다. △1(MAX)가 0.5에서 1.5%이며 0.8에서 1.0%가 가장 양호하며, △2와 △4가 제로와 같고 △3가 -0.1과 -0.6% 사이일때이다.
논의된 측면 기하학적 형태는 정합이 된 클래딩 구조의 실시예이다. 왜냐하면, 외부 ″저손실″ 클래딩의굴절율은 ″고손실″ 클래딩(전형적인 SiO2)의 굴절율과 같다. 그러나 진성 섬유 손실은 코어 도펀트 농도(통상적으로 게르마니아)에 따라 다른 산란 효과에 의해 제한이 된다. 그래서, 보다 낮은 진성 손실은 코어도펀트의 농도를 낮추고 같은 상대 굴절율 형태를 유지하기 위해 실리카 이하로 클래딩 굴절율을 낮추기 위해 도펀트로서 불소를 이용하여 달성된다. 상기 재질 변경은 이미 유도된 광도파 변수에서 최소한의 효과를가릴 것이다. 불소 기판관 또는 불소가 도프되어 부착된 외부 클래딩은 상기와 관련하여 유용하다.
전형적인 강하된 클래딩 굴절운 형태는 제4도에 도시되어 있다. 양호한 칫수와 굴절율은 다음과 같다.
a1은 2.5에서 3.5μm이고 a2/a1은 1.5에서 3.5이고, a3-a2는 6에서 18μm 이며(ap-a3)는 1.0에서 35μm이다.
예를들어 굴절율 값은 0.2에서 1.2%이며 0.7에서 0.9%가 가장 바람직하며, △2는 대략 △u과 같으며 -0.1 내지 -0.6%(a＜ad에 대해서)이며, △3는 -0.5 내지 -1.2%이다.
본 발명에 따라 예를 든 섬유의 굴절율 형태는 제12도에 개략적으로 도시되어 있다. 섬유는 삼각형 형태의 코어(30), 강하된 굴절율 영역(21)과 복합 단면의 내부 트랜치(120)를 갖는다. 섬유는 또는 굴절율이 강하된 클래딩 영역(40), 외부 트렌치 (121), 정합된 굴절율 ″저손실″ 클래딩 영역 및 클래딩의 외부 반경 ap로부터 섬유(도시하지 않았음)의 물리적 외부 표면까지 연장된 ″고손실″ 클래딩 부분(123)을 구비하는 다중부분 제 2 클래딩을 구비한다.
또 다른 실시예에서, 제 1 클래딩 부분 굴절율(예 : 제2,3,4 또는 12도의 21)은 제 2 클래딩 부분의 내부의굴절율(예 : 제2 또는 3도, 제4 또는 12도의 40)보다 크다.
제13도는 본 발명의 또 다른 특성 즉 개량된 굴곡 특성을 얻을 수 있는 능력을 도시한다. 곡선(130)은 본발명의 부가된 손실(하나의 10.5 직결 루프로 인한)이며, 곡선(131)은 트렌치(22)가 없는 전자가 거의 동일한 종래 기술의 섬유의 부가된 손실이다. 제13도로부터 분명한 바와 같이 본 발명의 섬유는 종래 기술의 섬유보다 낮은 부가된 손실을 갖는다.
제14 내지 18도는 본 발명의 또 다른 장점 즉, 개량된 파워 제한에 대한 가능성을 도시한다. 이는 결국 통상 D/d로 인용되는 저손실 클래딩의 두께의 감소를 허용한다 여기서 D=2ad, d=2a1) 한편 개량된 파워제한은 보다 낮은(그래서 일반적으로 저렴한) ″고손실″ 클래딩의 사용을 허용할 수 있으며, 또는 본 기술에 숙련된 사람에게 분명한 바와 같이 저손실 섬유의 사용을 가능하게 한다. 개량된 파워 제한은 전체 섬유 직경을 현재 널리 이용되는 값 이하로 감소시키는 것을 가능하게 한다.
제14도는 ad/a1=8을 갖는 종래기술의 굴절율 형태를 도시하며, 제15도는 특히 제14도의 섬유에 대해 누적된 모드 파워 분포(140)를 도시한다. 제16도 및 제17도는 ad/a1=8을 갖지만 △3=-0.4%를 갖는 트렌치(a2=6a1및 5a1, 각각 a3=8a1)를 구비하는 본 발명의 섬유를 도시한다. 제15도는 또한 제16도 및 제17도의 섬유에 대해 누적된 모드 파워 분포(160,170)를 도시한다. 제15도로부터 볼 수 있는 바와 같이, 트렌치가 있으면 개량된 파워 제한이 생기며, 넓은 트렌치는 좁은 트렌치보다는 훨씬 효과적이다. 본 발명의 실시예인 섬유에서 얻을 수 있는 모드 파워 제한은 약 10의 D/d를 갖는 종래 기술의 섬유에서 얻을 수 있는 것과 비교할 수 있지만 한편으로 제14도의 섬유와 동일하다. 그래서 트렌치의 존재는 부착된 클래딩의 두께의 감소를 가능하게 하며, 손실이 많은 ″고손실″ 재질의 사용을 허용하며(섬유 손실의 증가없이), 낮은 섬유 손실을 가져올 수 있으며(같은 D/d로), 또는 전체 섬유 직경의 감소를 허용한다.
제18도는 종래 기술의 강하된 클래딩 굴절율 형태를 개략적으로 도시하며 제19도는 제1클래딩 부분(190), 복합 트렌치(191,192)와 제 2 클래딩 부분(193)을 갖는 밀접한 본 발명의 굴절율 형태이다.
만약 2개의 섬유가 △-(-0.09%)와 맡이 a1(4.15μn)와 a3(18.7μm)의 같은 값을 가질 경우, 2개의 섬유는 거의 같은 도파 특성(λo=1.311, neff λ=.6μm =0.00091), 모드 필드 반경 W=4.44μm(종래 기술) 및4.69μm(본 발명)이며, a2=1.92a1이고 a'2=12.45μm일때, △2=-0.03% 및 △3=-0.16%이다. 그러나 종래기술의 섬유에서 △+는 0.27%이고, 반면 본 발명의 섬유에서는 단지 0.25%이다. 섬유 형태에 실시예의 복합 트렌치를 포함시키면 낮은 코어 도핑(낮은 레일리 산란이 기대되는)을 가능하게 하며, 반면 동시에 광섬유의 도파 특성을 유지시킨다.
제20도는 코어(30)와 복합 제 1 클래딩 부분(211,212)를 구비하는 유럽 특허출원 제823064761,1호에 이미공지된 형태의 종래 기술의 섬유를 도시한다. 제21도는 트렌치(213)(n3=-0.2% a32.5 a1)를 구비하는 대응 본 발명의 섬유를 도시한다. 2개의 섬유는 약 6a1보다 큰 반경에 대해 같은 모드 파워 분포를 갖는다. 그러나 제22도에 도시된 바와 같이 본 발명의 섬유는 λo에서 큰 변이없이 종래 기술의 섬유(곡선 200)보다 낮은(약 17%) 분산 기울기(곡선 210)를 갖는다. 낮은 분산 기을기는 분명한 장점이 있다.
제21도는 비록 제20도의 섬유와 거의 같은 λo를 갖지만, 어떤 경우, λo를 변위시키는 것이 바람직하며 트렌치는 상기와 같은 변위를 이룩하기 위해 사용될 수 있다.
일반적으로 코어로부터 멀리 떨어진 트렌치는 모드 제한을 개량시키며, 굴곡 손실을 개선하고, 손실이 많은 ″고손실″ 클래딩 재질의 이용을 가능하게 하고 전체 섬유 직경을 감소시키며, 코어에 비교직 가까운 트렌치는 평활한 분산 곡선 또는 낮은 분산의 증가 또는 λo를 짧은 파장으로 이동시키고, 코어로부터의 중간거리에 있는 트렌치는 λo에 영향을 끼치지 않고 분산 곡선의 기울기를 감소시키며 또는 코어 반경에 따른λo의 의존성을 감소시키며, 그래서 제조성을 개량시킨다.
상술된 섬유는 본 기술에 숙련된 사람에게 공지된 방법으로 광통신 시스템에 포함될 수 있다. 한가지 실시예의 통신 시스템은 제11도에 개략적으로 도시되어 있다. 광통신 시스템(80)은 작동 파장(통상 적외선 부분에 가까운 즉 1.3 내지 1.55μm)에서 빛을 방출하는 광원(81), 광섬유(82) 및 검출기(83)로 구성된다. 광원은 통상 레이저 또는 발광 다이오드이다. 일반적으로 펄스형 신호(펄스 변조)가 광원으로부터 발생되어광섬유를 통해 전송이 되고 수신기에서 검출된다.

Claims (8)

  1. 2ap보다 전체 직경이 큰 작동 파장 λop에서 단일 작동 모드에 적합하며, 여기서 ap는 방사 파장 λop의누적된 모드 파워의 10-12만이 a＞ap을 갖은 광섬유의 일부로 연장하도록 선택된 반경이며, a는 광섬유 반경좌표이며, (a) 굴절율 n1(a)과 반경 a1을 갖은 코어와, (b) 접촉하여 코어를 둘러싸고 a1로부터 ap까지 외부로 연장하며, 어느곳에서나 n1(a)의 최대 값보다 낮은 굴절율을 갖은 클래딩과, (c) ap로부터 전체 직경까지 외부로 연장하는 유리덮개 물질을 구비하는 광섬유에 있어서, 상기 클래딩은 a1에서 반경 a2가지 연장이 되고 굴절율 n2(a)를 갖는 제 1 클래딩 부분(21)과, a2에서 반경 a3까지 연장이 되며 굴절율 n3(a)를 갖는 굴절 트렌치(22)와, a3로부터 외방으로 연장이 되고, a1＜a2＜a3≤ad와 함께 굴절율 n4(a)를 갖는 제 2클래딩을 구비하며, n3(a)의 최대값은 n2(a)의 최소값 이하이며, 또한 n4(a=a3), 즉 a3에서 제 2 클래딩의굴절율 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  2. 제 1 항에 있어서, n3(a)는 거의 일정한 상수인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  3. 제1항에 있어서, 코어 굴절율 형태는 a1가 2.5 내지 3.5μm 사이에서 통상 삼각형이며 △1의 최대값은 0.5 내지 1,5% 사이이며, 여기서 △1=(n2 1-n2 0)2n2 0이고 n0는 실리카의 굴절율인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  4. 제3항에 있어서, a2/a1은 1.5와 3.5 사이인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  5. 제3항에 있어서, (a3-a2)는 6 내지 18μm 사이이며, △3는 -0.1 내지 -0.6% 사이이고, △3는 (n2 3-n2 0)/2n2 0인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  6. 제3항에 있어서, 코어의 굴절율 형태는 통상 삼각형이며, 제 1 클래딩 부분의 굴절율과 제 2 클래딩 부분의 최소한 일부의 굴절율이 실리카의 굴절율보다 작은 것을 특징으로 하는 광섬유.
  7. 제3항에 있어서, 제 2 클래딩 부분내의 부가적인 트렌치 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  8. 제1항에 있어서, a＜ad를 갖은 광섬유의 일부는 증기 위상 반응에 의해 형성되며 ad≤ap인 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유.
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