KR20010053394A - 광 파이버 - Google Patents

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KR20010053394A
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사사오카에이스케
다나카시게루
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오카야마 노리오
스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 적어도, 마이크로 밴드 로스의 증대를 효과적으로 억제하는 구조를 구비한 광 파이버에 관한 것이다. 해당 광 파이버는, 분산 플래튼 파이버, 분산 보상 파이버 등에 적합한 광 파이버로서, 사용 파장 대역에 있어서 싱글 모드가 보상되어 있다. 특히, 해당 광 파이버는, 140㎛ 이상의 파이버 직경을 갖기 때문에 강성이 높고, 마이크로 밴드 로스의 증대가 효과적으로 억제되는 한편, 200㎛ 이하로 파이버 직경이 억제되고 있기 때문에, 굽힘 변형에 기인한 파단 확률은 실용상 문제가 없다. 또한, 해당 광 파이버는, 보다 큰 모드 필드 직경을 갖는 것으로써, 단위 단면적당 광 에너지의 밀도를 작게 하고, 비선형 광학 현상의 발생을 효과적으로 억제한다.

Description

광 파이버{Optical fiber}
광 전송, 특히 대용량이며 동시에 고속의 광 전송이 가능한 WDM 전송의 전송로로서는, 주로 광 파이버가 이용되고 있다. 그런데 최근, 이러한 WDM 전송 시스템에 있어서, 광 파이버 중에서 발생하는, 각 신호광 사이에서의 4광파 혼합 등의 비선형 광학 현상에 기인한 신호광의 열화가 문제가 되고 있다. 따라서, WDM 전송 시스템에서는 비선형 광학 현상의 발생을 효과적으로 억제하는 것이 중요하며, 그 것을 위해서는, 광 파이버의 모드 필드(mode field) 직경 또는 실효 단면적을 크게 함으로써, 단위 단면적당의 광 에너지 밀도를 작게 할 필요가 있다. 예를 들면, 일본 특개평8-248251호 공보에는, 통상의 분산 시프트 파이버의 실효 단면적보다 큰 실효 단면적(70㎛2이상)을 갖는 광 파이버가 개시되어 있다.
본 발명은, 파장 분할 다중(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 전송 시스템에 있어서의 광 전송로로서 적합한 광 파이버에 관한 것이다.
도 1은, 분산 시프트 파이버의 굴절율 프로파일(2중 코어 구조)을 도시하는 도면.
도 2는, 도 1에 도시된 분산 시프트 파이버에 있어서, 파장 1.55㎛에서의 모드 필드 직경(Petermann-I)과 마이크로 밴드에 의한 손실 증가와의 관계를 나타내는 그래프.
도 3a는, 본 발명에 따른 광 파이버의 각 실시예에 공통의 단면 구조를 도시한 도면.
도 3b는, 제 4 실시예에 따른 광 파이버의 굴절율 프로파일을 도시하는 도면.
도 4는, 제 1 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 4개의 샘플의 제원(諸元)을 정리한 표.
도 5는, 제 1 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 4개의 샘플 각각의 평가 결과를 나타내는 그래프.
도 6a는, 광 케이블의 일부를 구성하는 광 파이버 유닛의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 6b는, 도 6a에 도시된 광 파이버 유닛을 갖는 광 케이블의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 7은, 본 발명에 따른 광 파이버의 제 2 실시예를 설명하기 위해서 시험 제작된 3개의 샘플의 제원을 정리한 표.
도 8은, 본 발명에 따른 광 파이버의 제 3 실시예를 설명하기 위해서 시험 제작된 4개의 샘플의 제원을 정리한 표.
도 9는, 제 3 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 4개의 샘플 각각의 평가 결과를 나타내는 그래프.
도 10은, 파이버 직경과 파단 확률과의 관계를 나타내는 그래프.
도 11은, 본 발명에 따른 광 파이버의 제 4 실시예를 설명하기 위해서 시험 제작된 2개의 샘플의 제원을 정리한 표.
도 12는, 본 발명에 따른 광 파이버의 제 5 실시예에 있어서의 굴절율 프로파일을 도시하는 도면.
도 13은, 본 발명에 따른 광 파이버의 제 6 및 제 7 실시예에 있어서의 굴절율 프로파일을 도시하는 도면.
도 14는, 도 12에 도시된 제 5 실시예에 따른 광 파이버에 관해서 (△+=0.9%, △-=-0.44%), 파장 분산과 분산 기울기와의 관계를 나타내는 그래프.
일반적으로, 모드 필드 직경 또는 실효 단면적이 커지면, 이에 수반하여 마이크로 밴드 특성이 악화되어, 케이블화에 기인한 마이크로 밴드 로스가 커지는 것이 공지되어 있다.
예를 들면, 도 1은, 2중 코어 구조를 구비한 분산 시프트 파이버의 굴절율 프로파일을 도시하는 도면이다. 상기 분산 시프트 파이버는, 코어 영역이 굴절율 n1의 내측 코어와, 굴절율 n2(＜n1)의 외측 코어로 구성되고, 상기 코어 영역의 외주변에는 굴절율 n3(＜n2)의 단일 클래드(clad)층이 형성되어 있다. 또한, 도 2는, 상기 2중 코어 구조의 굴절율 프로파일을 갖는 광 파이버에 관해서, 파장 1.55㎛(1550nm)에서의 모드 필드 직경과 마이크로 밴드에 의한 손실 증가와의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 모드 필드 직경은, Petermann-I 모드 필드 직경을 의미하고, 상기 Petermann-I 모드 필드 직경MFD1은 E. G. Neumann "Sing1e-Mode Fibers", pp-225, 1988에 나타낸 바와 같이, 이하의 수학식(1a), 수학식(1b)로 주어진다.
수학식(1b)에 있어서, r은 코어 중심을 원점으로 한 반경 방향의 위치 변수, E는 전계 진폭이고 위치 변수(r)의 함수이다. 또한, 마이크로 밴드 로스는, JIS# 1000의 샌드 페이퍼를 표면에 깐 몸체 직경 280mm의 보빈(bobbin)에 길이가 250m인 광 파이버를 장력 100g으로 권취했을 때의 손실 증가량으로 정의된다.
또한, 이론적 검토의 결과로부터도, 마이크로 밴드 로스(△α)와 모드 필드 직경(MFD1)과의 사이에는, 아래의 수학식(2a) 내지 수학식(2c)의 관계가 있는 것이 공지되어 있다.
단,
이들의 식에 있어서, R은 광 파이버에 가해지는 미소 굽힘의 곡율 반경, k는 파동수(波動數), n1은 코어 영역의 굴절율, Lc는 광 파이버에 가해지는 미소 굽힘의 상관 길이이다.
상기 도 2 및 상기 수학식(2a) 내지 수학식(2c)에서 알 수 있듯이, 모드 필드 직경 MFD1이 클 수록, 마이크로 밴드 로스는 커진다. 그렇지만, 종래의 광 파이버는, 매크로 밴드 로스에 관해서는 고려되어 설계되어 있지만, 마이크로 밴드 로스에 관해서는 전혀 고려되어 있지 않다. 또한, 광 파이버를 케이블화할 때의 지표로서, 샌드 페이퍼를 표면에 감은 보빈에 광 파이버를 권취하여 측정한 손실 증가량이 1dB/km 정도를 초과하면, 케이블화에 보다 손실이 증가하는 것이 알려져 있다. 따라서, 상술한 바와 같은 광 파이버에서는, 케이블화에 의해 마이크로 밴드 로스가 증대하는 것은 분명하다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 과제를 해소하기 위해서 이루어진 것으로, 적어도, 마이크로 밴드 로스의 증대를 효과적으로 억제할 수 있는 구조를 구비한 광 파이버를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 광 파이버는, 소정축을 따라서 연장된 코어 영역과, 상기 코어 영역의 외주변에 형성된 클래드 영역이, 각각 굴절율이 다른 적어도 3층 이상의 글래스 영역으로 구성되어 있다. 또한, 해당 광 파이버는, 사용 파장, 예를 들면 1.55㎛ 파장대(1500nm 내지 1600nm)의 광에 대하여 실질적으로 싱글 모드가 보증되며, 또한 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 구비하고 있다. 이상과 같이, 본 발명에 따른 광 파이버는, 파이버 직경이 140㎛ 이상이기 때문에, 모드 필드 직경이 크더라도, 광 파이버의 강성이 높고, 마이크로 밴드 로스의 증대는 억제된다. 한편, 파이버 직경이 200㎛ 이하 이기 때문에, 굽힘 변형(bending strain)에 기인한 광 파이버의 파단 확률(rupture probability)은 실용상 문제가 없다.
특히, 본 발명에 따른 광 파이버는, 1.55㎛ 파장대를 WDM 전송에 있어서의 사용 파장 대역으로 한 경우, 파장 1550nm에서의 파장 분산의 절대치가 5ps/nm/km 이하인 것이 바람직하다. 또한, Petermann-I 모드 필드 직경은, 11㎛ 이상인 것이 바람직하다. WDM 신호가 전송되더라도, 모드 필드 직경이 11㎛ 이상이면, 단위 단면적당의 광 에너지 밀도가 작고, 비선형 광학 현상의 발생을 효과적으로 억제할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 광 파이버는, 분산 시프트 파이버, 분산 플래튼 파이버(dispersion-flattened optical fiber), 분산 보상 광파이버(dispersion-compensated optical fiber) 등의 싱글 모드 광 파이버로서 적용 가능하다.
특히, 본 발명에 따른 광 파이버가 분산 플래튼 파이버로서 적용되었을 때, 해당 광 파이버는, 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에 있어서, 0.02ps/nm2/km 이하의 분산 기울기와, 50㎛2이상의 실효 단면적을 구비하는 것이 바람직하며, 특히, 상기 분산 기울기에 관해서는, 절대치가 0.02ps/㎚2/km 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 광 파이버가 분산 보상 파이버로서 적용되었을 때, 해당 광 파이버는, 사용 파장 대역내의 적어도 1파장에 있어서, -18ps/nm/km 이하의 파장 분산과, 17㎛2이상의 실효 단면적을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 광 파이버가, 실효 단면적이 확대된 광 파이버로서 적용되었을 때, 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에 있어서, 110㎛2이상의 실효 단면적을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 광 파이버에 있어서도, 단위 단면적당 광 에너지의 밀도를 작게 억제할 수 있으며, 비선형 광학 현상의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 상술한 여러가지 광 파이버에 있어서도, 그 파이버 직경은 140㎛ 이상 200㎛ 이하이다. 단, 상기와 같은 특성을 갖는 분산 보상 파이버의 경우, 특히 마이크로 밴드 특성이 열화하기 쉽기 때문에, 그 파이버 직경은 150㎛ 이상 20O㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광 파이버를 광 케이블에 적용하는 경우, 해당 광 파이버는, 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에 있어서, 17㎛2이상의 실효 단면적과, -83ps/nm/km 이상의 파장 분산치를 가지며, 또한 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 케이블화를 지향한 광 파이버도, 분산 시프트 파이버, 분산 플래튼 파이버, 분산 보상 파이버 등의 싱글 모드 광 파이버가 적용 가능하다.
이상과 같이, 적용 가능한 여러가지 상황을 고려하면, 본 발명에 따른 광 파이버는, 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 갖음과 동시에, 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에 있어서, 17㎛2이상의 실효 단면적과, -83ps/nm/km 이상의 파장 분산치를 갖는 광 파이버인 것이 바람직하고, 또한, 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 가짐과 동시에, 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에 있어서, 17㎛2이상의 실효 단면적과, -48ps/nm/km 이상의 파장 분산치를 갖는 광 파이버인 것이 바람직하다. 또한, 적용되는 광 파이버의 종류에 따라서는, 그 파이버 직경은 150㎛ 이상 200㎛ 이하인 것이 바람직하다. `
이하, 본 발명에 따른 광 파이버의 각 실시예를, 도 1, 도 3a, 도 3b, 도 4, 도 5, 도 6a, 도 6b, 도 7 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명한다.
또한, 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 파이버(100)는, 소정의 축을 따라서 연장된 외경(a)의 코어 영역(110)과, 상기 코어 영역(110)의 외주변에 형성된 외경(b; 파이버 직경과 일치)의 클래드 영역(120)을 구비하지만, 이하에 설명되는 실시예에서는, 이들 코어 영역 및 클래드 영역은, 각각 다른 굴절율을 갖는 적어도 3층 이상의 글래스 영역으로 구성되어 있다. 또한, 이하의 각 실시예에 따른 광 파이버는, 파장 1.55㎛(1550nm)에 있어서의 파장 분산의 절대치가 5ps/nm/km이하이고, Petermann-I 모드 필드 직경이 11㎛ 이상이며, 파이버 직경(b)이 140㎛ 이상 200㎛ 이하이다.
또한, 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 광 파이버는, 도 1에 도시된 굴절율 프로파일과 같은 2중 코어 구조의 굴절율 프로파일을 갖고, 제 4 실시예에 따른 광 파이버의 굴절율 프로파일은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 세그먼트 코어 디프레스드 클래드 구조의 굴절율 프로파일을 갖는다.
도 1에 도시된 굴절율 프로파일은, 도 3a 중의 선(L) 상의 각 부위에 있어서의 굴절율을 나타내고 있다. 제 1 내지 제 3 실시예의 광 파이버에 있어서, 외경(a)의 코어 영역(110)은, 굴절율 n1의 내측 코어와, 상기 내측 코어의 외주변에 형성된 굴절율 n2(＜n1)의 외측 코어로 구성되어 있고, 외경(b)(파이버 직경에 일치)의 클래드 영역(120)은, 상기 외측 코어의 외주변에 형성된 굴절율 n3(＜n2)의 단일 클래드로 구성되어 있다. 이와 같이, 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 광 파이버는, 3개의 글래스 층(내측 코어, 외측 코어, 단일 클래드)으로 구성됨과 동시에, 사용 파장 대역에 있어서 싱글 모드가 보증된 광 파이버이다.
한편, 제 4 실시예에 따른 광 파이버는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 세그먼트 코어 디프레스드 클래드 구조의 굴절율 프로파일(500)을 갖는 광 파이버이고, 상기 굴절율 프로파일(500)도 도 3a 중의 선(L) 상의 각 부위에 있어서의 굴절율을 나타내고 있다. 특히, 굴절율 프로파일(500)에 있어서, 부분(510)은 외경(a)의 코어 영역, 부분(520)은 외경(b)의 클래드 영역을 나타내고 있다. 상기 제 4 실시예에 있어서, 코어 영역은, 굴절율 n1의 내측 코어와, 상기 내측 코어의 외주변에 형성된 굴절율 n2(＜n1)의 중간 코어와, 상기 중간 코어의 외주변에 형성된 굴절율 n3(＞n2)의 외측 코어로 구성되어 있다. 한편, 클래드 영역은, 외측 코어의 외주변에 형성된 굴절율 n4(＜n3)의 내측 클래드와, 상기 내측 클래드의 외주변에 형성된 굴절율 n5(＞n4)의 외측 클래드로 구성되어 있다. 이와 같이, 제 4 실시예에 따른 광 파이버는 5층의 글래스 층(내측 코어, 중간 코어, 외측 코어, 내측 클래드, 외측 클래드)으로 구성됨과 동시에, 사용 파장 대역에 있어서 싱글 모드가 보증된 광 파이버이다.
이상과 같은 굴절율 프로파일을 갖는 제 1 내지 제 4 실시예에 따른 광 파이버에 관해서, 이하의 순서로 설명한다.
제 1 실시예
우선, 제 1 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서, Petermann-I 모드 필드 직경 MFD1이 서로 대략 동일하고 파이버 직경(b)이 서로 다른 4종의 광 파이버(샘플(1a 내지 1d)) 각각을 시험 제작하여 평가하였다. 도 4는, 제 1 실시예의 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 4종의 샘플(1a 내지 1d) 각각의 제원을 정리한 표이다.
파이버 직경(b)은, 샘플(1a)에서는 대략 125㎛, 샘플(1b)에서는 대략 140㎛, 샘플(1c)에서는 대략 150㎛, 샘플(1d)에서는 대략 160㎛이다. 또한, 상기 수학식(1a), 수학식(1b)으로 주어진 Petermann-I 모드 필드 직경 MFD1(11.73 내지 11.88㎛), 실효 단면적(69.7 내지 72.1㎛2), 파장 분산치(-2.2 내지 -1.9ps/nm/km), 및 컷오프 파장(1.50 내지 1.53㎛) 각각은, 4종의 샘플(1a 내지 1d) 각각의 사이에서 서로 대략 동일한 값이다.
이러한 파이버 직경(b)이 서로 다른 4종의 샘플(1a 내지 1d)은, 동일 직경의 코어부재를 사용하고, 상기 코어 부재와 클래드 부재의 외경비가 서로 다른 4종의 프리폼(preform)을 준비하여, 이들을 섬유인발(fiber drawing)함으로써 얻어진다. 또한, 4종의 샘플(1a 내지 1d) 각각의 주위에는, 동일 재료에 의한 외경이 250㎛인 피복층이 형성되어 있다. 모드 필드 직경 MFD1, 실효 단면적, 및 파장 분산치 각각은, 파장 1.55㎛(1550nm)에 있어서의 측정치이다.
이들 4종의 샘플(1a 내지 1d) 각각에 대해서, 마이크로 밴드 로스가 측정되었다. 또한, 상기 측정에서는, JIS#1000의 샌드 페이퍼를 표면에 깐 몸체 직경 이 280mm인 보빈에 길이가 250m인 광 파이버를 장력 100g으로 권취하고, 이것에 의한 손실 증가량을 마이크로 밴드 로스로 하였다. 도 5는, 제 1 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 4종의 샘플 각각의 평가 결과를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프로부터, 파이버 직경(b)이 클수록 손실 증가량, 즉 마이크로 밴드 로스는 작음을 알 수 있다.
그런데, 도 6a, 도 6b에 도시된 바와 같은 단면 구조를 갖는 광 케이블을 제조하는 경우, 케이블화에 의해 마이크로 밴드 로스가 커지지만, 이것을 방지하기 위해서는, 마이크로 밴드 로스를 대략 1dB/km 이하로 억제할 필요가 있다. 따라서, 도 5에서 알 수 있듯이, 실효 단면적이 대략 70㎛2일 때, 파이버 직경(b)은 140㎛ 이상으로 하는 것이 필요하다.
또한, 도 6a는, 광 파이버 유닛의 단면 구조를 도시하는 도면이고, 도 6b는, 상기 광 파이버 유닛(200)이 적용된 광 케이블의 단면 구조를 도시하는 도면이다. 도 6a에 있어서, 광 파이버(100)는 피복층으로서 자외선 경화 수지(150)가 코팅된 상태로, 항장력선(151; tension member)을 중심으로 자외선 경화 수지(152)에 의해 일체화된다. 또한, 자외선 경화 수지(152)의 주위에는 자외선 경화 수지(153)가 코팅되어 광 파이버 유닛(200)이 얻어진다. 상기 광 파이버 유닛(200)이 적용된 광 케이블(300)은, 수주(水走) 방지 컴파운드(251)를 통해 강(steel)제의 3분할 파이프(250), 항장력 피아노선(252) 순으로 덮어진 광 파이버 유닛(200)을 구리 튜브(253) 내에 수납하며, 또한, 상기 구리 튜브(253)의 외주변을 저밀도 폴리에틸렌(254), 고밀도 폴리에틸렌(255) 순으로 덮음으로써 얻어진다.
제 2 실시예
다음에, 제 2 실시예에서는, 케이블화에 의한 문제가 없는 것이 이미 확인되어 있는 종래의 광 파이버의 특성과, 상기 제 2 실시예에 따른 광 파이버의 특성과의 비교에 관해서 설명한다. 도 7은, 제 2 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 3종의 샘플(2a 내지 2c) 각각의 제원을 정리한 표이다. 이들 중, 샘플(2a)은, 케이블화에 의한 문제가 없는 것이 이미 확인되어 있는 종래의 광 파이버이다.
파이버 직경(b)은, 샘플(2a 및 2b)에서는 대략 125㎛, 샘플(2c)에서는 대략 140㎛ 이다. 상기 수학식(1a), 수학식(1b)으로 주어진 Petermann-I 모드 필드 직경 MFD1은, 샘플(2a)에서는 대략 10㎛, 샘플(2b 및 2c)에서는 대략 11㎛ 이다. 실효 단면적은, 샘플(2a)에서는 대략 55㎛2, 샘플(2b 및 2c)에서는 대략 65㎛2이다. 또한, 파장 분산치(-2.2 내지 -2.0ps/nm/km) 및 컷오프 파장(1.51 내지 1.53㎛)은, 3종의 샘플(2a 내지 2c) 각각의 사이에서 서로 대략 동일의 값이다. 3종의 샘플(2a 내지 2c)의 주위에는, 각각 동일 재료에 의한 외경이 250㎛인 피복층이 형성되어 있다. 모드 필드 직경 MFD1, 실효 단면적, 및 파장 분산값 각각은, 파장 1.55㎛에서의 측정치이다.
이들 3종의 샘플(2a 내지 2c)을 사용하여, 도 6a 및 도 6b에 도시된 단면 구조의 광 파이버 유닛(200)이 제작되었다. 얻어진 광 파이버 유닛(200)에 100 기압의 수압을 가하므로써, 케이블화할 때에 광 파이버 유닛(200)에 가해지는 외압을 모의(模擬)한 결과, 파이버 직경(b)이 대략 125㎛이고 실효 단면적이 대략 65㎛2인 샘플(2b)은, 손실 증가량, 즉 마이크로 밴드 로스가 20mdB/km 이었다. 이에 반해, 파이버 직경(b)이 대략 140㎛이고 실효 단면적이 대략 65㎛2인 샘플(2c)은, 손실 증가량, 즉 마이크로 밴드 로스가 측정 한계의 0.5mdB/km 이하이고, 케이블화에 의한 문제가 없는 것이 이미 확인되어 있는 종래의 샘플(2a)과 동등한 특성이었다.
제 3 실시예
다음에, 제 3 실시예에 관해서 설명한다. 상기 제 3 실시예에서는, 실효 단면적이 더 큰 광 파이버에 관해서, 파이버 직경을 크게 한 것에 기인하는 마이크로 밴드 로스의 저감 효과를 확인하였다. 도 8은, 제 3 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 4종의 샘플(3a 내지 3d) 각각의 제원을 정리한 표이다.
파이버 직경(b)은, 샘플(3a, 3c)에서는 대략 150㎛, 샘플(3b, 3d)에서는 대략 170㎛이다. 상기 수학식(1a), 수학식(1b)으로 주어지는 Petermann-I 모드 필드 직경 MFD1은, 샘플(3a, 3b)에서는 대략 13.2㎛, 샘플(3c, 3d)에서는 대략 14.2㎛ 이다. 실효 단면적은, 샘플(3a, 3b)에서는 대략 80㎛2, 샘플(3c, 3d)에서는 대략 90㎛2이다. 한편, 파장 분산치(-2.0 내지 -2.2ps/nm/km) 및 컷오프 파장(1.50 내지 1.53㎛)은, 각각 4종의 샘플(3a 내지 3d) 사이에서 서로 대략 동일한 값이다. 4종의 샘플(3a 내지 3d) 각각의 주위에는, 동일 재료에 의한 외경이 250㎛인 피복층이 형성되어 있다. 모드 필드 직경 MFD1, 실효 단면적, 및 파장 분산치는, 각각 파장 1.55㎛에서의 측정치이다.
이들 4종의 샘플(3a 내지 3d) 각각에 관해서, 마이크로 밴드 로스가 측정되었다. 마이크로 밴드 로스의 측정 방법은, 제 1 실시예의 경우와 같다. 도 9는, 상기 제 3 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 4종의 샘플 각각의 평가 결과를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프에서 알 수 있듯이, 실효 단면적이 대략 80㎛2일 때, 파이버 직경(b)이 대략 150㎛ 이상이면, 마이크로 밴드 로스의 목표치인 대략 1dB/km 이하로 억제할 수 있다. 또한, 실효 단면적이 대략 90㎛2일 때, 파이버 직경(b)이 대략 170㎛ 이상이면, 마이크로 밴드 로스의 목표치인 대략 1dB/km 이하로 억제할 수 있다.
이상으로부터, 실효 단면적이 크더라도, 파이버 직경이 크면, 마이크로 밴드 로스의 목표치인 대략 1dB/km 이하로 억제할 수 있음을 알 수 있다. 이것은, 이하의 것으로부터도 설명할 수 있다. 즉, 광 파이버의 마이크로 밴드 로스는, 광 파이버에 가해지는 외력에 의해 광 파이버의 코어 영역에 대하여 길이 방향으로 랜덤인 미소 굽힘이 생겨 발생한다. 상기 마이크로 밴드 로스는, 미소 굽힘의 곡율 반경의 역수의 2승 평균에 비례한다. 한편, 광 파이버에 가해지는 외력이 일정하면, 광 파이버의 강성을 높이는 것에 의해, 광 파이버에 발생하는 미소 굽힘을 억제할 수 있다. 광 파이버의 파이버 직경(b)을 D로 하면, 광 파이버의 강성(굽힘 모멘트) I는, 이하의 수학식(3)으로 주어진다.
따라서, 광 파이버의 파이버 직경(D)을 크게 하므로써, 광 파이버의 강성(I)은 대폭적으로 향상되고, 그 결과, 미소 굽힘이 억제되어, 마이크로 밴드 로스가 대폭적으로 저감된다.
예를 들면, 파이버 직경을 200.3㎛, 실효 단면적을 90.4㎛2, 파장 분산치를 -2.1 ps/nm/km, 컷오프 파장을 1.73㎛, 피복층의 외경을 250㎛로 하는 광 파이버를 시험 제작하여, 제 1 실시예의 경우와 같은 방법으로 마이크로 밴드 로스를 측정한 바, 그 값은 0.3 dB/km 이었다. 이것은, 케이블화에 의한 문제가 없는 것이 이미 확인되어 있는 종래의 광 파이버의 특성과 같은 정도의 특성이다.
그러나, 파이버 직경(b)이 커지면, 광 파이버를 굽혔을 때에 파이버 표면(최외층 클래드의 표면)에서의 변형이 종래의 광 파이버보다 커지게 되어, 굽힘에 기인하는 파단의 확률이 증대한다. 그래서, 파단 확률이 실용상 문제가 되지 않는 파이버 직경(b)의 범위를 이하에 계산한다. 스크리닝(screening) 시험 통과 후의 광 파이버의 파단 확률(F)은, 이하의 수학식(4)으로 주어진다.
여기서, L은 실제사용 상태에서 변형이 가해지는 광 파이버 길이, Np는 스크리닝 시험시의 단위 길이당의 파단 회수, σs는 실사용시의 변형, σp는 스크리닝시의 변형, ts는 실사용 시간, tp는 스크리닝 시간, n은 피로 계수, m은 와이블(Weibull) 플로트의 기울기를 나타내는 파라미터이다.
실제사용시에 있어서의 광 파이버의 소직경 곡률은 중계기 중의 융착 접속용으로 남겨져 있는 여분의 길이 부분에서 발생하며, 최악의 경우에 중계기 1대 중에 직경 30mm의 굽힘이 존재하는 것으로 가정한다. 또한, 광 전송 시스템의 광 파이버 전길이는 9000km이고, 평균 50km 간격으로 중계기가 형성되어 있는 것으로 가정한다. 이 때, 직경 30mm의 굽힘이 가해지는 파이버 길이(L)는 광 전송 시스템 전체에서 16.9m가 된다. 또한, 스크리닝 시험시의 단위 길이당의 파단 회수(Np)를 2×10-5로 하고, 스크리닝시의 변형(σp)을 2.2%로 한다. 실사용 시간(ts)을 25년으로 하고, 스크리닝 시간(tp)을 1초로 한다. 피로 계수(n)를 20으로 하고, 와이블 플로트의 경사를 나타내는 파라미터(m)를 10으로 한다.
도 10은, 이상의 가정하에 상기 수학식(4)에 근거하여 파이버 직경(b)과 파단 확률과의 관계를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프에서 알 수 있듯이, 파이버 직경이 클수록 파단 확률은 크다. 그러나, 파이버 직경이 200㎛ 이하이면, 파단 확률은 10-5이하이기 때문에 실용상 문제가 없다.
제 4 실시예
다음에, 제 4 실시예에 관해서 설명한다. 상기 제 4 실시예의 평가에서는, 도 3b에 도시된 세그먼트 코어 디프레스드 클래드 구조의 굴절율 프로파일을 갖는 분산 시프트광 파이버의 굴절율 프로파일로서, Petermann-I 모드 필드 직경 MFD1이 서로 대략 동일하며, 파이버 직경(b)이 서로 다른 2종의 샘플(4a, 4b)이 준비되었다.
또한, 상술한 바와 같이, 내측 코어의 굴절율 n1, 중간 코어의 굴절율 n2, 외측 코어의 굴절율 n3, 내측 클래드의 굴절율 n4, 외측 클래드의 굴절율 n5의 대소관계는, n1＞n2, n3＞n2, n5＞n4이다.
도 11은, 상기 제 4 실시예에 따른 광 파이버를 설명하기 위해서 시험 제작된 2종의 샘플 각각의 제원을 정리한 표이다. 파이버 직경(b)은, 샘플(4a)에서는 대략 125㎛, 샘플(4b)에서는 대략 150㎛이다. 한편, 상기 수학식(1a), 수학식(1b)으로 주어지는 Petermann-I 모드 필드 직경 MFD1(11.98, 12.17㎛), 실효 단면적(69.7, 72.1㎛2), 파장 분산치(-2.1, -2.2ps/nm/km), 및 컷오프 파장(1.53, 1.51㎛) 각각은, 2종의 샘플(4a, 4b) 서로들 간에 서로 대략 동일한 값이다.
이와 같이, 파이버 직경(b)이 서로 다른 2종의 샘플(4a, 4b)은, 동일 직경의 코어 부재를 사용하고, 상기 코어부재와 클래드 부재와의 외경비가 서로 다른 2종의 프리폼을 준비하여, 이들을 섬유인발하여 제작되었다. 또한, 2종의 샘플(4a, 4b)의 주위에는, 각각 동일 재료에 의한 외경이 250㎛인 피복층이 형성되어 있다. 모드 필드 직경 MFD1, 실효 단면적, 및 파장 분산치는, 각각 파장 1.55㎛에서의 측정치이다.
이들 2종의 샘플(4a, 4b) 각각에 관해서, 제 1 실시예의 경우와 같은 방법으로 마이크로 밴드 로스를 측정하였다. 그 결과, 파이버 직경(b)이 대략 125μm인 샘플(4a)의 마이크로 밴드 로스는 4.12 dB/km이었던 것에 반해, 파이버 직경(b)이 대략 150μm인 샘플(4b)의 마이크로 밴드 로스는 0.74 dB/km이고, 케이블화에 의한 손실 증가량을 발생시키지 않은 마이크로 밴드 로스의 목표치인 대략 1 dB/km 이하를 달성할 수 있었다.
제 5 실시예
도 12는, 본 발명에 따른 광 파이버의 제 5 실시예에 있어서의 굴절율 프로파일을 도시하는 도면이다. 상기 제 5 실시예에 따른 광 파이버는, 분산 플래튼 파이버이고, 외경(a)의 코어 영역(110)이, 굴절율 n1, 외경 3.75㎛의 내측 코어와, 상기 내측 코어의 외주변에 형성된 굴절율 n2(＞n1), 외경이 8.25㎛인 외측 코어로 구성되어 있다. 또한, 외경(b)의 클래드 영역(120)은, 디프레스드 클래드 구조를 갖고, 외측 코어의 외주변에 형성된 굴절율 n3(= n1), 외경이 15.0㎛인 내측 클래드와, 상기 내측 클래드의 외주변에 형성된 굴절율 n4(＞n3,＜n2), 외경(b)의 외측 클래드로 구성되어 있다.
도 12에 도시된 굴절율 프로파일(600)은, 도 3a 중의 선(L) 상의 각 부위의 굴절율을 나타내고 있고, 부분(610)은 코어 영역(110)에 있어서의 굴절율, 부분(620)은 클래드 영역(120)에 있어서의 굴절율을 나타내고 있다. 또한, 상기 제 5 실시예에 있어서, 외측 클래드(굴절율 n4)에 대한 외측 코어(굴절율 n2)의 비굴절율차(△+; 比屈折率差)는 +0.63%, 외측 클래드(굴절율 n4)에 대한 내측 코어(굴절율 n1) 및 내측 클래드(굴절율 n3)의 비굴절율차(△-)는 -0.60%이고, 각각 이하의 수학식(5)과 같이 주어진다.
또한, 상기 수학식(5)에 있어서, ncore는 대상이 되는 글래스 영역의 굴절율, nc1d는 기준이 되는 외측 클래드의 굴절율을 나타낸다. 수학식(5)에 있어서의 각 글래스 영역의 굴절율은 당연히 같지 않고, 외측 클래드보다도 높은 굴절율을 갖는 영역의 비굴절율은 정(正)의 값이 되며, △+로 나타내고, 외측 클래드보다도 낮은 굴절율을 갖는 영역의 비굴절율은 부(負)의 값이 되며, △-로 나타낸다. 또한, 본 명세서에서는, 비굴절율차는 백분율로 나타내고 있다.
제 5 실시예의 평가를 위해 준비된 샘플은, 각각 파이버 직경이 125㎛, 160㎛의 2종류이다. 이들 샘플도 그 외주변에 동일 재료로 이루어지는 외경이 250㎛인 피복층이 형성되어 있다. 각 샘플 모두, 파이버 직경을 제외하고, 1.55㎛ 에서의 파장 분산치가 0.12ps/nm/km, 파장 1.55㎛에서의 실행 단면적이 72㎛2, 컷오프 파장이 1.187㎛이다. 또한, 분산 기울기는, 파장 1530nm에서 0.0096ps/㎚2/km, 파장 1550nm에서 0.0120ps/㎚2/km, 파장 1560nm에서 0.0265ps/㎚2/km 이다. 또한, 분산 기울기란, 소정 파장 대역에 있어서의 파장 분산치를 나타내는 그래프의 경사를 의미한다.
이들 각 샘플에 관해서, 파장 1.55㎛(1550nm)에서의 마이크로 밴드 로스를 평가한 결과, 파이버 직경이 125㎛인 샘플에서는 1.1dB/km 이었던 것에 반해, 파이버 직경이 160㎛인 샘플에서는 0.1dB/km와 케이블화에 의한 손실 증가가 충분히 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
제 6 실시예
다음에, 도 13은, 본 발명에 따른 광 파이버의 제 6 실시예에 있어서의 굴절율 프로파일을 도시하는 도면이다. 상기 제 6 실시예에 따른 광 파이버는, 분산 보상 파이버로서, 외경 a의 코어 영역(110)이, 굴절율 n1, 외경 a1의 단일 코어로 구성되어 있다. 또한, 외경 b의 클래드 영역(120)은, 디프레스드 클래드 구조를 갖고, 상기 코어의 외주변에 형성된 굴절율 n2(＜n1), 외경 b1의 내측 클래드와, 상기 내측 클래드의 외주변에 형성된 굴절율 n3(＞n2,＜n1), 외경 b의 외측 클래드로 구성되어 있다.
도 13에 도시된 굴절율 프로파일(700)은, 도 3a 중의 선(L) 상의 각 부위의굴절율을 나타내고 있고, 부분(710)은 코어 영역(110)에 있어서의 굴절율, 부분(720)은 클래드 영역(120)에 있어서의 굴절율을 나타내고 있다. 또한, 상기 제 6 실시예에 있어서, 외측 클래드(굴절율 n3)에 대한 코어(굴절율 n1)의 비굴절율차(△+), 외측 클래드(굴절율 n3)에 대한 내측 클래드(굴절율 n2)의 비굴절율차(△-)는, 각각 상기 수학식(5)에 의해서 주어진다.
상기 제 6 실시예의 평가를 위해 준비된 샘플은, 도 14에 도시된 바와 같이 △+=+0.9%, △-=-0.44%의 샘플 중, 특히, 1.55㎛(1550nm)에서의 파장 분산치가 -33ps/nm/km, 분산 기울기가 -0.10ps/㎚2/km, 내측 클래드의 외경 b1에 대한 코어 영역(110)의 외경 a1의 비 Ra(=a1/b1)가 0.6인, 도 14 중의 점(P)으로나타내는 특성을 갖는 광 파이버로서, 각각 파이버 직경이 125㎛, 160㎛인 2종류이다. 이들 샘플도 그 외주변에 동일 재료로 이루어지는 외경이 250㎛인 피복층이 형성되어 있다.
이들 각 샘플에 관해서, 파장 1.55㎛(1550nm)에서의 마이크로 밴드 로스를 평가한 결과, 파이버 직경이 125㎛인 샘플에서는 2.3dB/km이었던 것에 반해, 파이버 직경이 160㎛인 샘플에서는 0.3dB/km와 케이블화에 의한 손실 증가가 충분히 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
제 7 실시예
또한, 제 7 실시예에서는, 실효 단면적이 보다 확대된 광 파이버에 관해서 평가되었다. 또한, 준비된 샘플의 굴절율 프로파일은, 도 13과 동일이지만, 사실은 유효 단면적은, 122㎛2(110㎛2이상)이다. 준비된 샘플은, 파이버 직경이 125㎛, 160㎛의 2종류이다. 이들 샘플도 그 외주변에 동일 재료로 이루어지는 외경이 250㎛인 피복층이 형성되어 있다. 또한, 각 샘플 모두, 파이버 직경을 제외하고, 외측 클래드(굴절율 n3)에 대한 코어(굴절율 n1)의 비굴절율차(△+)가 +0.28%, 외측 클래드(굴절율 n3)에 대한 내측 클래드(굴절율 n2)의 비굴절율차(△­)가 -0.14%, 컷오프 파장이 1.49㎛, 파장 1.55㎛에서의 실효 단면적이 122㎛2, 파장 1.55㎛에서의 파장 분산치가 22.1ps/nm/km, 파장 1.55㎛에서의 분산 기울기가 0.062ps/㎚2/km이다.
이들 각 샘플에 관해서, 파장 1.55㎛(1550nm)에서의 마이크로 밴드 로스를 평가한 결과, 파이버 직경이 125㎛인 샘플에서는 1.3 dB/km 이었던 것에 반해, 파이버 직경이 160㎛인 샘플에서는 0.2 dB/km와 케이블화에 의한 손실 증가가 충분히 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 광 파이버는, 파이버 직경이 140㎛ 이상 200㎛ 이하이기 때문에, 마이크로 밴드 로스의 증대가 효과적으로 억제되고, 굽힘 변형에 기인한 파단 확률에 관해서 실용상 문제가 없어질 정도까지 저감할 수 있다. 또한, 파장 1.55㎛에서의 파장 분산의 절대치가 5ps/nm/km 이하이고, Petermann-I 모드 필드 직경이 11㎛ 이상이면, 비선형 광학 현상의 발생이 억제되고, 1.55㎛ 파장 대역을 이용한 WDM 전송 시스템에 있어서의 광 전송로로서 적합하게 사용된다.
또한, 본 발명은, 상술한 각 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지의 변형이 가능하다. 예를 들면, 굴절율 프로파일은, 2중 코어 구조나 세그먼트 코어 구조에 한정되는 것이 아니라 임의로 양호하게, 중심의 저굴절율의 영역 주위에 링형상의 고굴절율의 링 코어 영역을 갖는 링 코어형 굴절율 프로파일에 의해서도 실현 가능하다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 파이버 직경이 140㎛ 이상이기 때문에, 광 파이버의 강성이 높고, 마이크로 밴드 로스의 증대는 억제되는 한편, 파이버 직경이 200㎛ 이하이기 때문에, 굽힘 변형으로 인한 광 파이버 파단의 확률은 실용상 문제가 없다. 또한, 파장 1.55㎛에서의 파장 분산의 절대치를 5ps/nm/km 이하로 한 경우, 상기 파장 대역을 사용 파장으로 한 WDM 전송에 적합하다. 또한, 본 발명에 의하면, 모드 필드 직경이 11㎛ 이상이기 때문에, 단위 단면적당의 광 에너지 밀도가 작고, 비선형 광학 현상의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 광 파이버는, WDM 광전송 시스템에 있어서의 광 전송로로서 적합하다.

Claims (6)

  1. 소정축을 따라서 연장된 코어 영역과, 상기 코어 영역의 외주에 설치된 클래드 영역이, 각각 굴절율이 다른 적어도 3층 이상의 글래스 영역으로 구성됨과 동시에,
    사용 파장의 광에 대하여 실질적으로 싱글 모드가 보증되며, 또한 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 구비한 광 파이버.
  2. 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에서, 0.02ps/㎚2/km 이하의 분산 기울기와, 50㎛2이상의 실효 단면적을 구비함과 동시에 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 구비한 광 파이버.
  3. 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에서, -18ps/nm/km 이하의 파장 분산과, 17㎛2이상의 실효 단면적을 구비함과 동시에, 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 구비한 광 파이버.
  4. 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에서, 110㎛2이상의 실효 단면적을 구비함과 동시에, 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 구비한 광 파이버.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 파장 1550nm에서, 절대치가 5ps/nm/km 이하의 파장 분산, 및 11㎛ 이상의 Petermann-I 모드 필드 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  6. 소정의 축을 따라서 연장된 코어 영역과, 상기 코어 영역의 외주에 설치된 클래드 영역이, 각각 굴절율이 다른 적어도 3층 이상의 글래스 영역으로 구성됨과 동시에, 사용 파장 대역의 광에 대하여 실질적으로 싱글 모드가 보증되는 광 파이버에 있어서,
    상기 사용 파장 대역 내의 적어도 1파장에서, 17㎛2이상의 실효 단면적과, -83ps/nm/km 이상의 파장 분산치를 가지며, 또한 140㎛ 이상 200㎛ 이하의 파이버 직경을 갖는 광 파이버.
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