단일 모드 광도파 섬유{SINGLE MODE OPTICAL WAVEGUIDE FIBER}
본 발명은 단일 모드 광도파 섬유에 관한 것이며, 더 상세하게는, 소정의 파장 λ, 예를 들어 1550 nm의 파장 대역에서 작지만 영(0)보다는 큰 분산을 나타내는 광섬유에 관한 것이다. 본 명세서에서는 편의상 광섬유에 대하여 기술할 것이며, 더 일반적으로는 비영 분산 천이 광섬유(non-zero dispersion shifted fiber; NZDSF)에 대하여 기술할 것이다.
종래의 단일 모드 광섬유(single mode fiber; SMF)는 일반적으로 1310 nm 파장 대역에서 분산이 영(0)이 되고, 1550 nm 파장 대역에서는 분산이 높았다 (-17 ps/(nm·km)의 수준). 본 명세서에서는 단일 모드 광섬유의 분산이 λ= 1550 nm에서 음의 값을 갖는다는 가정 하에 기술한다. 분산 천이 광섬유(dispersion shift fiber; DSF)는 광섬유가 1550 nm의 파장 대역에서 본질적으로 낮은 감쇠 특성을 갖는 점과 광증폭기가 사용 가능하다는 점을 이용하기 위하여 개발되었다. 그러나, 분산 천이 광섬유는 사파 혼합(four-wave mixing; FWM) 및 자기 위상 변조(self-phase modulation; SPM)와 같은 강화된 비선형 효과를 나타낸다. 비영 분산 천이 광섬유는 분산 천이 광섬유의 비선형 효과를 피하고 고출력 레이저, 고비트율 전달(high bit rate transmission) 및 파장 분리 다중화 접속(wavelength division multiflexing; WDM)을 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위하여 개발되었다. 비영 분산 천이 섬유는 일반적으로 1530 nm 내지 1570 nm의 범위에서 약간 벗어난 대역에서 영분산 파장을 갖는다. 상업적으로 판매되고 관련 문헌에 기재되어 있는 종래의 비영 분산 천이 광섬유는, 중앙 코어 영역과, 광섬유의 광도파 영역 내에 위치하는 원형 대칭 환형 영역을 구비한다. 중앙 코어 영역의 평균 굴절율은 이를 둘러싸고 있는 환형 영역의 평균 굴절율과 다르며, 2개의 환형 영역을 갖는 광섬유의 경우, 바깥쪽에 있는 환형 영역의 평균 굴절율은 안쪽에 있는 환형 영역의 평균 굴절율 보다 크다. 코어 영역의 평균 굴절율은 일반적으로 두 환형 영역의 평균 굴절율들 보다 크다. 본 발명은 다양한 분야에 적용되는 비영 분산 천이 광섬유를 설계하는데 있어서 높은 자유도를 허용하도록 광섬유 기하학적 구조를 개선하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 측부 코어 영역을 내장한 광섬유의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2a 및 2b는 도 1에 도시된 광섬유에 적용할 수 있는 굴절율 프로파일을 도시하는 것으로서, 각각 도 1의 AA 방향과 BB 방향에서 본 단면의 굴절율 프로파일을 나타낸다. 도 3은 측부 코어 영역이 1530 nm 내지 1570 nm의 파장 영역에서 매우 작은 분산을 나타내도록 설계된 광섬유의 단면도이다. 도 4a 및 4b는 도 3에 도시된 광섬유에 적용할 수 있는 굴절율 프로파일을 도시하는 것으로서, 각각 도 3의 AA 방향과 BB 방향에서 본 단면의 굴절율 프로파일을 나타낸다. 도 5는 측부 코어 영역이 유효 면적이 거의 100 μm 2 인 비선형 영역이 되도록 설계된 광섬유의 단면도이다. 도 6a 및 6b는 도 5에 도시된 광섬유에 적용할 수 있는 굴절율 프로파일을 도시하는 것으로서, 각각 도 5의 AA 방향과 BB 방향에서 본 단면의 굴절율 프로파일을 나타낸다. 삭제 삭제
개략적으로 정의한다면, 본 발명은 중앙 코어 영역과 이 영역을 둘러싸고 있는 주변 영역을 구비하는 광도파 영역과, 중앙 코어 영역으로부터 반경 방향으로 바깥쪽에 소정의 각도의 간격을 두고 배치되어 있는 3개의 영역을 포함하는 단일 모드 광도파 섬유를 제공한다. 중앙 코어 영역의 평균 굴절율은 n 0 이고, 주변 영역의 평균 굴절율은 n 1 ＜n 0 이며, 각 영역은 원형이 아닌 단면 형상을 갖고 있고 평균 굴절율은 n 2 ＞n 1 이다. 바깥쪽에 배치되고 원호 방향으로 분리된 영역은 "측부 코어 영역"으로서 볼 수 있으며, 이하, "측부 코어 영역"이라고 한다. 코어 영역 및 측부 코어 영역은 실리카 또는 도프 처리된 실리카(doped silica) 등과 같은 모든 종류의 투명한 매체로 형성될 수 있다. 본 발명은 종래의 광섬유에서 중앙 코어를 둘러싸고 있는 환형 영역 대신에 측부 코어 영역이 제공된다는 점에서 종래의 비영 분산 천이 광섬유와 차이가 있다. 본 발명에 따른 광섬유는 2개 이상의 측부 코어 영역이 가상의 공통원 상에 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 광섬유의 특징은 이하의 조건 중 하나 이상을 변경함으로써 달라질 수 있다. (a) 평균 굴절율 n 0 및 광섬유의 중앙 코어 영역의 굴절율의 반경 방향 프로파일. (b) 광섬유의 중앙 코어 영역의 단면적. (c) 평균 굴절율 n 1 및 광섬유의 중앙 코어 영역을 둘러싸고 있는 영역의 굴절율의 반경 방향 프로파일. (d) 광섬유의 중앙 코어 영역을 둘러싸고 있는 영역의 단면적. (e) 평균 굴절율 n 2 및 광섬유의 측부 코어 영역의 굴절율의 반경 방향 및 원주 방향 프로파일. (f) 광섬유의 각 측부 코어 영역의 단면적. (g) 광섬유의 각 측부 코어 영역의 형상. (h) 광섬유 내에 있는 측부 코어 영역의 수. (i) 광섬유 내에 있는 측부 코어 영역의 공간적 관계.측부 코어 영역의 단면 형상은 대체로 아치형 또는 사각형인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 측부 코어 영역은 중앙 코어 영역 주위에 등각으로 배치되어 있으며, 동일한 단면 형상을 갖는다. 그러나, 전체 구조가 복굴절과 같은 불필요한 특징을 갖지 않는다면, 측부 코어 영역은 불규칙한 방식으로 배치되고 형성될 수 있다. 가장 바람직하게는, 본 발명에 따른 광섬유는 적어도 4개의 등각으로 배치된 측부 코어 영역을 가지며, 모든 측부 코어 영역은 동일한 단면적과 형상을 갖는다.광도파 섬유는 중앙 코어와 주변 영역을 일체화한 도프 처리된 실리카 코어와 실리카 클래딩을 가질 수 있다. 측부 코어 영역은 주변 영역의 내부에 배치될 수 있다. 측부 코어 영역은 적어도 일부분이 실리카 클래딩의 내부에 배치되는 것이 바람직하다.중앙 코어 영역 및 측부 코어 영역은 도프 처리되지 않은 실리카의 경우에 비하여 향상된 평균 굴절률을 가지며, 주변 영역은 도프 처리되지 않은 실리카의 경우에 비하여 감소된 평균 굴절률을 갖는다. 삭제 본 발명은 후술하는 단일 모드 비영 분산 천이 광섬유 및 광섬유 모재(preform)를 형성하는 방법에 대한 바람직한 실시예에서 더 상세히 설명될 것이다. 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조로 하여 제공된다.
도면을 참조함에 있어서, 도 1에는 본 발명에 따라 구현된 광섬유의 한 예가 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 도 1에 도시된 다양한 동심 영역은 축척에 맞게 도시되지 않았다. 광섬유의 클래딩(10)의 직경은 일반적으로 중앙 코어 영역(11)의 직경에 비하여 30배 정도가 된다. 전달되는 빛의 대부분이 안내되어 통과하는 광섬유의 영역(이하, "광도파 영역"이라 함)은 도 1에 도시된 것과 같은 광섬유의 경우에는 클래딩(10)의 내측 경계 영역(12)에 의하여 한정되는 것으로 볼 수 있다. 더 구체적으로는, 광도파 영역은 중앙 코어 영역(11) 및 원주 방향으로 거리를 두고 배치된 4개의 측부 코어 영역(13)을 포함하며, 각 측부 코어 영역(13)은 중앙 코어 영역(11)으로부터 반경 방향으로 바깥쪽에 배치되어 있다. 중앙 코어 영역(11)은 코어 주변 영역(14) 내에 배치되어 있으며, 코어 주변 영역(14)은 클래딩의 내측 경계 영역(12)을 향하여 바깥쪽으로 연장되어 있고, 도시된 바와 같이, 측부 코어 영역(13)은 코어 주변 영역(14)의 내부에 배치되어 있다. 그러나, 코어 주변 영역(14)과 클래딩(10)의 사이의 경계는 명확하게 그어질 수 없으며, 도 5에 도시된 광섬유와 같이, 측부 코어 영역(13)의 적어도 일부분이 클래딩(10) 내에 배치된다는 점을 이해하여야 한다. 이러한 점을 감안한다면, 광도파 영역이 클래딩(10)의 내부까지 연장될 수 있으며, 클래딩의 내측 경계 영역(12)에 의하여 한정되는 것은 아니라는 점을 이해할 수 있을 것이다. 광섬유의 다양한 영역의 굴절율 간의 관계는 광섬유가 적용되는 분야에서 요구되는 특성에 따라 달라진다. 그러나, 예를 들어, 중앙 코어 영역(11) 및 측부 코어 영역(13)의 평균 굴절율 n 0 및 n 2 는 도프 처리되지 않은 실리카(undoped silica)의 평균 굴절율보다 크며, 코어 주변 영역(14)의 평균 굴절율 n 1 은 도프 처리되지 않은 실리카의 평균 굴절율보다 작다. 도 2a 및 2b에는 이러한 굴절율 간의 관계가 도 1에 도시된 광섬유의 단면에 대하여 도시되어 있다. 광섬유는 원주 방향으로 같은 각도로 떨어져 있는 4개의 측부 코어 영역(13)을 갖는다. 다만, 광섬유는 3개 이상의 측부 코어 영역을 구비하도록 제조될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 광섬유가 갖추어야 하는 특성에 따라, 측부 코어 영역(13)은 일반적으로 하나의 원주 상에, 즉, 광섬유의 축으로부터 반경 방향으로 동일한 거리에 배치된다. 또한, 측부 코어 영역(13)은 일반적으로 거의 동일한 단면 형상을 갖는다. 도시된 바와 같이, 각 측부 코어 영역(13)은 대체로 아치 형상의 단면을 갖는다. 절단면 AA 및 BB의 방향에서 보았을 때의 전술한 광섬유의 굴절율 프로파일이 각각 도 2a 및 2b에 도시되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 광섬유는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 예시를 위하여 그 중 한 방법에 대하여 이하에서 설명한다. 광섬유는 필요한 물질을 도프 처리되지 않은 실리카 튜브 내에서 변형 화학 증착(modified chemical vapour deposition) 공정을 이용하여 제조한 모재로부터 인발된다. 측부 코어 영역(13)에 대응되는 모재의 일부분은, 상기 실리카 튜브 내에서 도프 처리된 실리카를 필요한 두께만큼 증착하고, 증착된 물질의 일부를 에칭으로 제거하여 도프 처리된 실리카로 이루어지고 길이 방향으로 연장되며 동일한 간격을 두고 떨어져 있는 4개의 랜드(land)를 형성하는 것에 의하여 제조된다. 이어서, 튜브 내에서 수 개의 서로 다르게 도프 처리된 실리카 층을 랜드 위에 증착함으로써, 모재를 인발하여 광섬유를 제조할 때 코어 주변 영역(14) 및 중앙 코어 영역(11)을 형성하는 부분을 형성한다. 끝으로, 증착된 물질을 포함하면서 전술한 구조를 갖는 재료를 통상의 방법으로 압축하여 덩어리 형태의 모재를 형성하며, 이로부터 광섬유가 인발된다. 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광섬유의 단면을 개략적으로 도시하는 도면이다. 이 광섬유는 도 1에 도시된 광섬유와 유사하며, 동일한 부재는 동일한 참조 부호로 표시하였다. 도 3에 도시된 광섬유의 특징은 다음과 같이 요약될 수 있다. 클래딩(10)의 직경 : 125 μm 중앙 코어 영역(11)의 직경 : 8.4 μm 코어 주변 영역(14)의 직경(12) : 20 μm 각 측부 코어 영역(13)의 크기 : 1.72 x 6.36 μm 각 측부 코어 영역(13)의 반경 방향 거리 : 8.0 μm 클래딩(10)의 굴절율 피크치(peak) : 1.444 중앙 코어 영역(11)의 굴절율 피크치 : 1.454 측부 코어 영역(13)의 굴절율 피크치 : 1.454 (균일) 코어 주변 영역(14)의 굴절율 피크치 : 1.441 도 3에서 단면 AA 및 BB의 방향에서 보았을 때 광섬유의 굴절율 프로파일이 각각 도 4a 및 4b에 도시되어 있다. 도 3 내지 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 광섬유는 EDFA 밴드에서 실질적으로 일정한 분산을 나타내며, 파장이 1550 nm일 때의 광섬유의 특성은 다음과 같이 요약될 수 있다. 분산 : +3.41 ps/(nm·km) 분산 경사도 : -0.004 ps/(nm 2 ·km) 컷오프 파장 : 1420 nm 피터만 II 면적 : 36.4 μm 2 비선형 면적 : 35.2 μm 2 도 3 내지 4b에 도시된 광섬유는 λ= 1530 nm일 때 +3.57 ps/(nm·km)의 분산을 나타내며, λ= 1570 nm일 때 +3.35 ps/(nm·km)의 분산을 나타낸다. 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광섬유의 단면을 개략적으로 도시하는 도면이다. 마찬가지로, 이 광섬유는 도 1에 도시된 광섬유와 유사하며, 동일한 부재는 동일한 참조 부호로 표시하였다. 도 3에 도시된 광섬유의 특징은 다음과 같이 요약될 수 있다. 클래딩(10)의 직경 : 125 μm 중앙 코어 영역(11)의 직경 : 6.3 μm 코어 주변 영역(14)의 직경(12) : 10.6 μm 각 측부 코어 영역(13)의 크기 : 3.39 x 3.84 μm 각 측부 코어 영역(13)의 반경 방향 거리 : 14.0 μm 클래딩(10)의 굴절율 피크치(peak) : 1.444 중앙 코어 영역(11)의 굴절율 피크치 : 1.455 측부 코어 영역(13)의 굴절율 피크치 : 1.459 (포물선형(graded)) 코어 주변 영역(14)의 굴절율 피크치 : 1.441 도 5에서 단면 AA 및 BB의 방향에서 보았을 때 광섬유의 굴절율 프로파일이 각각 도 6a 및 6b에 도시되어 있다. 도 5 내지 6b에 도시되어 있는 바와 같이, 이 광섬유는 85 μm 2 인 비선형 모드 면적(non-linear mode area)을 가지며, 파장이 1550 nm일 때의 광섬유의 특성은 다음과 같이 요약될 수 있다. 분산 : -2.56 ps/(nm·km) 분산 경사도 : +0.083 ps/(nm 2 ·km) 컷오프 파장 : 1271 nm 피터만 II 면적 : 51.4 μm 2 비선형 면적 : 85.4 μm 2 도 5 내지 6b에 도시되어 있는 광섬유의 피터만 II 면적은 비선형 면적보다 매우 작다. 이러한 특징은 굽힘 손실(bend loss)이 작아지게 하며, 손실이 작은, 예를 들어, 0.5 dB 이하의 손실을 갖는 표준 단일 모드 광섬유와 융착 접속(splicing)될 수 있도록 한다. 삭제 삭제 삭제 삭제 본 명세서에서 설명되고 도면에 도시된 광섬유는 다양한 요구 조건을 충족시키기 위하여 이하에 기재되는 청구범위에 정의된 발명의 특징 중에서 한 개 이상을 변경함으로써 제조될 수 있는 다양한 광섬유 중의 일부에 불과하다. |
