KR20070023693A - Optical fiber - Google Patents
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Abstract
본 발명의 광섬유(200)는 광축(A-A)과, 상기 축을 따라 뻗어 있고, 제 1 굴절률을 갖는 도핑되지 않은 제 1 재료로 제조되는 코어(205)와, 상기 코어와 같은 넓이를 가지고 상기 코어를 둘러싸는 클래딩(210)를 구비한다. 상기 클래딩은 상기 제 1 재료로 제조된 배경 매트릭스(220)와, 상기 배경 매트릭스에 형성되고, 상기 광섬유 축에 평행하게 뻗어있으며, 실질적으로 동심 링으로 상기 코어 주위에 배열되고, 상기 제 1 굴절률보다 더 낮은 제 2 굴절률을 갖는 제 2 재료로 충진되는 복수의 홀들(215)을 구비한다. 상기 홀들로 된 링의 개수는 2개 또는 3개이고, 상기 홀들의 평균거리(Λ)는 적어도 약 6㎛이며, 상기 코어의 유효반경(reff)과 상기 홀들 사이의 평균거리 간의 비는 커야 1이고, 상기 홀들의 평균치수(d)와 상기 홀들 사이의 평균거리(Λ) 간의 비는 적어도 0.5이다.The optical fiber 200 of the present invention includes an optical axis AA, a core 205 extending along the axis and made of a undoped first material having a first refractive index, and having the same width as the core. A surrounding cladding 210 is provided. The cladding is formed with a background matrix 220 made of the first material, formed in the background matrix, extending parallel to the optical fiber axis, arranged substantially around the core in a concentric ring, and having a lower than the first index of refraction. And a plurality of holes 215 filled with a second material having a lower second refractive index. The number of rings of holes is two or three, the average distance Λ of the holes is at least about 6 μm, and the ratio between the effective radius r eff of the core and the average distance between the holes must be large 1 And the ratio between the average dimension d of the holes and the average distance Λ between the holes is at least 0.5.
마이크로구조의 광섬유, 광통신 시스템, 광케이블 Microstructured Optical Fiber, Optical Communication System, Optical Cable
Description
본 발명은 일반적으로 광섬유 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로구조의 광섬유에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of optical fibers, and more particularly to optical fibers of microstructure.
광섬유는 주로 광통신 시스템에 사용된다.Fiber optics are mainly used in optical communication systems.
다수의 애플리케이션에서, 광 전송손실은 중요한 측면이다. 예컨대, 광섬유 손실은 장거리 광전송 시스템의 구조 및 관련된 비용에 따른 주요 제약이다.In many applications, optical transmission loss is an important aspect. For example, fiber loss is a major constraint on the structure and associated costs of long distance optical transmission systems.
실리카 계열의 전송 광섬유는 일반적으로 약 1550㎚에 중심을 둔 수십 나노미터의 넓은 스펙트럼 윈도우에서 약 0.2dB/㎞의 전송손실을 나타낸다. 광섬유 손실(및 또한 재료 고유의 비선형성)으로 인해, 최대 광섬유 스팬길이(span length)는 일반적으로 많아야 100㎞이고, 이러한 길이에서의 전력손실은 20dB 이상일 수 있다. Silica-based transmission optical fibers typically exhibit a transmission loss of about 0.2 dB / km in a broad spectral window of tens of nanometers centered at about 1550 nm. Due to the fiber loss (and also the material inherent nonlinearity), the maximum fiber span length is generally at most 100 km, and the power loss at this length can be 20 dB or more.
결과적으로 발생한 장거리 링크를 더 짧은 중간 스팬으로 분할은 전반적인 시스템의 복잡도 및 비용의 원인이 된다. 따라서, 심지어 광섬유 손실에 대한 경미한 감소로도 전반적으로 큰 경제적 이점이 발생할 수 있다. 단일 스팬들을 필요로 하는 더 짧은 링크들을 수반하는 애플리케이션에서도 이득을 볼 수 있는데, 이는 링크 말단에서 광구성부품에 대한 요구조건이 전력 예산(Power Budget)의 증가로 인해 완화될 수 있기 때문이다.Splitting the resulting long distance link into shorter intermediate spans contributes to the overall system complexity and cost. Thus, even a slight reduction in fiber loss can result in a large economic benefit overall. Applications with shorter links requiring single spans can also benefit, because the requirements for the optical components at the end of the link can be mitigated due to an increase in the power budget.
현재, 실리카 계열의 전송 광섬유는 코어와 클래딩 간의 소정의 굴절률 차를 달성하기 위해 일반적으로 광섬유 코어에 게르마늄 도핑을 포함한다.Currently, silica based transmission optical fibers generally include germanium doping in the optical fiber core to achieve a certain refractive index difference between the core and the cladding.
몇몇 연구는 저손실의 실리카 계열의 광섬유에서 손실은 4가지 주요 기여, 즉, 코어 재료에서의 밀도 변동으로 인한 레이리 산란(Rayleigh scattering), 도판트의 농도 변동으로 인한 레이리 산란, 도파관 결함으로 인해 발생한 손실, 및 적외선 흡수손실로 인해 발생함을 보였다. 이들 결론은, 예컨대, 에스. 사카구치 등(S. Sakaguchi et al.)의 'Rayleigh scattering in silica glass with heat treatment', Journal of Non-Crystalline Solids 220, 1997, pp.178-186; 케이. 츄지카와 등(K. Tsujikawa et al.)의 'Rayleigh Scattering Reduction Method for Silica-Based Optical Fiber' Journal of Lightwave Technology 18, pp. 1528-1532; 알. 르 파 등(R. Le Parc et al.)의 "Thermal annealing and density fluctuations in silica glass', Journal of Non-Crystalline Solids 293-295, 2001, pp. 295-366; 및 미국특허 No. 6,404,965에 보고되어 있다. 광섬유 손실에 대한 상기 첫번째 및 세번째 기여는 적절한 프로파일 설계 및 광섬유 인출공정의 최적화를 통해 최적화될 수 있다. 특히, 모재(preform) 인출속도와 온도, 인출 인장 및 어닐링 고로 온도는 유리 고착온도를 낮출 수 있고 따라서 상기 인용된 광섬유 손실에 대한 상기 첫번째 및 세번째 기여를 줄일 수 있다.Some studies have shown that in low loss silica-based fiber optics, the loss is due to four major contributions: Rayleigh scattering due to density variations in the core material, Rayleigh scattering due to variations in dopant concentrations, and waveguide defects. Due to loss, and infrared absorption loss. These conclusions are, for example, S. Rayleigh scattering in silica glass with heat treatment, S. Sakaguchi et al., Journal of Non-Crystalline Solids 220, 1997, pp. 178-186; K. K. Tsujikawa et al., Rayleigh Scattering Reduction Method for Silica-Based Optical Fiber, Journal of Lightwave Technology 18, pp. 1528-1532; egg. Reported in R. Le Parc et al., "Thermal annealing and density fluctuations in silica glass', Journal of Non-Crystalline Solids 293-295, 2001, pp. 295-366; and US Patent No. 6,404,965. The first and third contributions to fiber loss can be optimized through proper profile design and optimization of the fiber take-out process, in particular the preform take-out rate and temperature, draw pull and annealing blast furnace temperature. Can be lowered and thus the first and third contributions to the recited optical fiber loss can be reduced.
그러나, 도판트의 농도 변동으로 발생한 레이리 산란 손실은 이들 최적화 기 술들 중 어떤 것에 의해서도 방지될 수 없다. 특히, 적절한 GeO2 량이 광섬유 코어에 필수적인 업도핑(up-doping)을 제공하기 위해 광섬유에 사용되는 경우, 사카구치 등(Sakaguchi et al.)의 "Optical properties of GeO2 glass and optical fibers", Applied Optics, Vol. 36, 1997, p. 6809-6814에 보고된 바와 같이, 도판트가 있음으로 인해 일반적으로 적어도 0.02dB/㎞의 손실이 발생된다. However, Rayleigh scattering losses due to concentration variations in the dopant cannot be prevented by any of these optimization techniques. In particular, when the appropriate amount of GeO 2 is used in the optical fiber to provide the necessary up-doping to the optical fiber core, the " Optical properties of GeO 2 glass and optical fibers ", Applied Optics of Sakaguchi et al. , Vol. 36, 1997, p. As reported in 6809-6814, the presence of a dopant generally results in a loss of at least 0.02 dB / km.
순수한 실리카 코어(즉, 도핑되지 않은 코어) 광섬유는 가능하게는 게르마늄 도핑된 코어를 갖는 광섬유보다 더 낮은 손실을 특징으로 할 수 있다. 순수한 실리카 코어 광섬유에서, 상기 코어보다 더 낮은 굴절률로 도핑된 클래딩이 코어에 광을 가두기 위해 제공되어야 한다. 투과된 광 중 적은 부분만이 클래딩으로 지나가기 때문에, 순수한 실리카 코어 광섬유는 가능하게는 순수한 실리카 저손실을 유지할 수 있다.Pure silica core (ie undoped core) optical fibers may be characterized by lower losses than optical fibers, possibly with germanium doped cores. In pure silica core optical fibers, cladding doped with a lower refractive index than the core must be provided to trap light in the core. Since only a small portion of the transmitted light passes to the cladding, pure silica core optical fibers can possibly maintain pure silica low loss.
순수한 실리카 코어를 만드는 공지된 방안은 적절한 굴절률 프로파일을 달성하기 위해 실리카 클래딩을 플루오르(fluorine)로 도핑하는 것이다. 그러나, 본 출원인은 이러한 타입의 광섬유의 결함은 전체 클래딩이 플로오르로 도핑되고, 따라서 도핑되는 재료의 량이 코어에서보다 더 많아지므로 제조공정도 더 고가인 것을 관찰하였다. A known approach to making pure silica cores is to dope silica cladding with fluorine to achieve a suitable refractive index profile. However, Applicants have observed that defects in this type of optical fiber are more expensive to manufacture because the overall cladding is doped with flow, thus the amount of material to be doped is greater than in the core.
광섬유 코어의 업도핑 또는 클래딩의 로우도핑(low-doping) 중 어느 하나를 방지하는 세번째 방안은 마이크로구조의 광섬유, 즉, 일반적으로 공기(대개, 실리카보다 굴절률이 낮은 재료)가 충진된 홀들이 광섬유 축에 평행한 광섬유를 따라 이어져 있는 마이크로구조의 클래딩을 갖는 광섬유에 의해 제공된다. "Photonic Crytal Fibers(PCFs)" 또는 "Photonic BandGap fibers(PBG)" 또는 "홀 광섬유(holey fibers)"로서 또한 알려진 이들 광섬유에 대한 간략한 설명이 에이. 브쟈크레브 등(A. Bjarklev et al.)의 'Photonic crystal fibers - The state-of-the-art', 28th European Conference on Optical Communication ECOC 02, 코펜하겐, 덴마크, 2002에 제공되어 있다.A third solution to prevent either up-doping of the fiber core or low-doping of the cladding is to provide a microstructured fiber, ie holes filled with air (usually materials with a lower refractive index than silica). Provided by an optical fiber having a cladding of microstructures running along an optical fiber parallel to the axis. A brief description of these optical fibers, also known as "Photonic Crytal Fibers (PCFs)" or "Photonic BandGap fibers (PBG)" or "holey fibers", is available. A. Bjarklev et al., 'Photonic crystal fibers-The state-of-the-art', 28th European Conference on Optical Communication ECOC 02, Copenhagen, Denmark, 2002.
마이크로구조의 광섬유는 몇가지 다른 방식으로 제조될 수 있다. "적층 후 인출(stack-and-draw)"로서 알려진 한가지 방법은 공동 유리 실린더내에 실리카 캐필러리 관을 꽉짜인 공간 배열로 적층시키고, 상기 관들을 함께 접합시킨 후 종래의 광섬유 인출방법에 의해 최종 생성된 모재를 인출하는 것을 포함한다.Microstructured optical fibers can be manufactured in several different ways. One method known as “stack-and-draw” is to stack silica capillary tubes in a tight spatial arrangement in a hollow glass cylinder, join the tubes together and then finalize them by conventional fiber optic drawing methods. And withdrawing the produced base material.
마이크로구조의 클래딩이 도핑되지 않은 코어와 결합될 수 있으나, 일반적으로 마이크로구조의 광섬유는 순수한 실리카와 같은 저손실의 순순한(즉, 도핑되지 않은) 재료로 제조된 코어를 가지며, 상기 마이크로구조의 클래딩의 제공에 의해 상기 코어에서의 광 가이딩이 보장된다. 실제로, 일반적으로 공기 충진된 홀의 패턴은 굴절률을 효과적으로 떨어뜨리게 한다. 가능하기로, 이들 광섬유에서의 손실은 대신에 낮게 도핑된 클래딩을 포함하여 종래 광섬유, 즉, 순수한 실리카 코어 광섬유에 사용되는 적절한 양의 화학적 도판트에 대한 어떠한 불이익 없이 앞서 거론된 인출조건의 모든 최적화에 의해 이득을 얻을 수 있다. Although the microstructured cladding may be combined with an undoped core, microstructured optical fibers generally have a core made of a low loss pure (ie, undoped) material, such as pure silica, and of the microstructured cladding The provision ensures light guiding in the core. In practice, in general, the pattern of air filled holes effectively reduces the refractive index. Wherever possible, the losses in these optical fibers are instead optimized for all of the drawout conditions discussed above without any penalty for the appropriate amount of chemical dopant used in conventional optical fibers, ie pure silica core optical fibers, including low doped cladding. You can benefit from
그러나, 여태껏 제안된 마이크로구조의 광섬유는 여전히 손실 문제로 인해 영향받고 있다. However, the proposed microstructured optical fiber is still affected by the loss problem.
엘. 파 등(L. Farr et al.)의 'Low loss photonic fibers', 28th European Conference on Optical Communication ECOC 02, 코펜하겐, 덴마크, 2002에서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 외부직경이 170㎛이고, 홀 사이(홀 간격)의 피치 Λ가 4.2㎛이며, 공기홀 직경이 1.85㎛이고, 홀들로 된 적어도 4개의 셀(shell) 또는 6개의 셀을 갖는 순수한 도핑되지 않은 실리카 코어를 갖는 마이크로구조의 광섬유에 있어 1550㎚에서 0.58dB/㎞의 손실이 보고되었다. 이와 같은 손실 값은 종래(즉, 비-마이크로구조) 광섬유에서 얻은 값보다 훨씬 더 크다. 과도한 손실은 하이드록시기(hydroxyl group), 금속 불순물, 및 레이리 산란에서의 현저한 증가로 인한 흡수에 기인한 것이었다. L. In L. Farr et al. 'Low loss photonic fibers', 28th European Conference on Optical Communication ECOC 02, Copenhagen, Denmark, 2002, the outer diameter is 170 μm as shown in FIGS. 1A and 1B. A microstructure with a pure undoped silica core having at least four shells or six cells of holes with a pitch Λ of 4.2 μm between holes (hole spacing) and an air hole diameter of 1.85 μm A loss of 0.58 dB / km at 1550 nm was reported for the fiber. This loss value is much greater than that obtained with conventional (ie non-microstructured) optical fibers. Excessive losses were due to absorption due to significant increases in hydroxyl groups, metal impurities, and Rayleigh scattering.
케이. 타즈마 등(K. Tajma et al.)의 'Low-loss photonic crystal fibers' OFC 2002, ThS3, p. 523-524 는 2가지 타입의 PCF, 즉, 종래의 코어와 클래딩 구조(GeO2-도핑된 실리카 코어 및 순순한 실리카 클래딩) 및 제로분산 파장을 편이시키기 위해 상기 코어 주위의 한 링상에 6개의 홀을 갖는 제 1 타입과 순수한 실리카 유리로 제조되고 클래딩에 6개의 홀을 갖는 제 2 타입을 비교하고 있다.K. K. Tajma et al., 'Low-loss photonic crystal fibers' OFC 2002, ThS3, p. 523-524 features two types of PCF, six cores on one ring around the core to shift the core and cladding structure (GeO 2 -doped silica core and pure silica cladding) and zero dispersion wavelengths. The first type having is compared with the second type made of pure silica glass and having six holes in the cladding.
타즈마 등의 구조들 모두는 손실 문제를 갖고 있다. GeO2-도핑된 실리카 코어는 상술한 레이리 산란문제를 나타낸 반면에, 많은 홀을 갖는 광섬유는 (홀 구조의 거칠기와 같은) 실리카-공기 홀 결함과 OH 오염으로 인한 큰 레이리 산란을 갖는다. 광섬유 손실에 치명적인 오염 및 표면 산란문제 이외에, 홀들의 개수가 많은 광섬유는 또한 홀을 만드는데 있어 복잡도로 인해 제조하기가 더욱 어렵고, 가능하 게는 구조에 있어 큰 빈 공간으로 인해 제조공정 동안 및 사용 동안 모두 기계적 강도문제를 받게 된다. 특히, 광섬유 모재 인출로 인해 발생하는 구멍의 최종 형태, 광섬유의 강도 및 스플라이싱 특성(splicing properties)이 총 개수에 모두 불리하게 연관된다. All of Tasma et al. Have a loss problem. GeO 2 -doped silica cores exhibited the Rayleigh scattering problem described above, while optical fibers with many holes have large Rayleigh scattering due to silica-air hole defects (such as the roughness of the hole structure) and OH contamination. In addition to contamination and surface scattering problems that are fatal to fiber loss, optical fibers with a large number of holes are also more difficult to manufacture due to the complexity of making holes, and possibly due to the large voids in the structure during and during the manufacturing process. All suffer mechanical strength problems. In particular, the final shape of the hole, the strength and the splicing properties of the optical fiber resulting from the fiber base material withdrawal are all adversely associated with the total number.
홀들의 개수가 작은 마이크로구조의 광섬유가 디. 아스나기 등(D. Asnaghi et al.)의 "Fabrication of a large-effective-area microstructured plastic optical fibre: design and transmission tests", ECOC 2003에 설명되어 있다. 상기 광섬유는 플라스틱으로 제조되고 중앙홀과 홀들로된 내부셀이 없는 육각형 패턴위에 분포된 홀들로 된 2개 셀을 구비한다. 큰 유효코어직경 reff은 비교적 작은 홀대홀 거리 Λ로 얻어진다. 특히, reff=1.44Λ이다. 본 출원인은 아스나기 등에 의해 기술된 광섬유가 장거리 광통신에 부적합한 다중모드 광섬유인 것을 관찰하였다.Microstructured optical fiber with small number of holes. D. Asnaghi et al., "Fabrication of a large-effective-area microstructured plastic optical fiber: design and transmission tests", ECOC 2003. The optical fiber has two cells of holes made of plastic and distributed over a hexagonal pattern without an inner cell of a central hole and holes. The large effective core diameter r eff is obtained with a relatively small hole-to-hole distance Λ. In particular, r eff = 1.44 Λ. The applicant has observed that the optical fiber described by Asunagi et al. Is a multimode optical fiber which is unsuitable for long distance optical communication.
마이크로구조의 광섬유에 대한 또 다른 연구는 홀의 개수를 줄임으로써 전송손실 면에서 불리할 수 있음을 입증했다.Another study of microstructured fiber has proved to be disadvantageous in terms of transmission loss by reducing the number of holes.
예컨대, 티.피. 화이트 등(T.P. White et al.)의 'Confinement losses in microstructured optical fibers', Optics Letters, vol 26, 2001, p. 1660-1662, 및 디. 페라리니 등(D. Ferrarini et al.)의 'Leakage Losses in Photonic crystal Fibers', F15, OFC 2003, vol 2. p.699-700은 클래딩에서 홀들로 된 링의 개수가 작은 경우 방사 손실(radiation losses)이 매우 큰 것으로 보고하고 있는데, 이는 투과된 방사가 얇은 마이크로구조의 클래딩을 통해 새어나가기 때문이다. 이들 논 문 모두는 감쇠 면에서 광섬유 성능이 홀의 1개의 링에서 8개의 링으로 지나면서 점진적으로 향상되는 것을 나타낸다. 또한, 이들 논문에서, Λ/λ(여기서, Λ는 홀 간격이고 λ는 진행광의 파장임), d/Λ(여기서 d는 홀 직경임) 및 클래딩에서 홀의 링 개수 N의 함수로서 클래딩 누설에 대한 광섬유 손실의 의존성이 논의되어 있다.For example, T.P. T.P. White et al., 'Confinement losses in microstructured optical fibers', Optics Letters, vol 26, 2001, p. 1660-1662, and d. D. Ferrarini et al., 'Leakage Losses in Photonic crystal Fibers', F15, OFC 2003,
본 출원인은 상기 인용된 티.피. 화이트 등에 의한 논문에 보고된 정량적 결과들이 벡터량인 전자기장이 스칼라량으로 다루어졌기 때문에 특히 정확하지 못하다는 의견을 가지고 있다. 본 출원인에 따른 이러한 단순화는 홀에 있는 공기와 홀표면에서의 배경 매트릭스 사이에 있는 굴절률 스텝(refractive index step)들과 같이 큰 굴절률 스텝들이 분석되는 구조내에 있는 경우 정확도가 제한된다. 더욱이, 고려되는 종래 기술의 참조문헌에서 배경 매트릭스에서의 위조물질 흡수가 도입되며, 이는 투과 광섬유에 필요한 손실과 같이 매우 낮은 손실이 계산되는 경우 상기 방법의 적용을 제한할 수 있다.Applicant hereby referred to T.P. The quantitative results reported in the paper by White et al. Have the opinion that the electromagnetic field, which is a vector quantity, is treated as a scalar quantity, which is particularly inaccurate. This simplification according to the applicant is limited in accuracy when large refractive index steps are in the structure being analyzed, such as refractive index steps between the air in the hole and the background matrix at the hole surface. Moreover, counterfeit absorption in the background matrix is introduced in the prior art reference under consideration, which may limit the application of the method if very low losses are calculated, such as the losses required for the transmission optical fiber.
본 출원인에 따르면, 더 정확하고 완전한 맥스웰 방정식의 벡터 해는 위조배경흡수(fake background absorption)의 결함없이 디. 펠라리니 등에 의해 상기 인용된 논문에 계산된 해이다. According to the Applicant, the vector solution of the more accurate and complete Maxwell's equations can be solved without a defect in fake background absorption. Calculated in the paper cited above by Fellarini et al.
더 복잡한 마이크로구조의 광섬유가 또한 해당기술분야에 기술되어 있다. 미국특허 US 5,802,236에서, 마이크로구조의 광섬유는 제 2 클래딩 형태의 적어도 4개층을 구비하는 외부 클래딩 영역에 의해 둘러싸인, 기본적으로 육각형 형태로 배열된 제 1 클래딩 형태를 갖는 내부 클래딩 영역을 구비하는 것으로 기술되어 있다. 광섬유의 2가지 실시예가 상기 특허에 논의되어 있다: 제 1 예에서, 피 쳐(feature)(클래딩 공극(cladding voids))로 된 7개층이 피쳐 어레이 피치(feature array pitch)가 2㎛인 삼각형 단위셀과 함께 중앙 결함 주위로 배열되어 있다; 제 2 예에서, 코어는 6개 피쳐의 내부층에 의해 둘러싸인 실리카 로드로서, 피쳐 피치가 0.925㎛인 더 작은 피쳐의 4개 층 이상으로 둘러싸여 있다. 본 출원인은 이 특허에 기술된 광섬유에 포함된 많은 개수의 피쳐들이 앞서 언급된 손실 문제를 일으키는 것을 관찰했다.More complex microstructured optical fibers are also described in the art. In US Pat. No. 5,802,236, a microstructured optical fiber is described as having an inner cladding region having a first cladding form essentially arranged in a hexagonal shape, surrounded by an outer cladding region having at least four layers of a second cladding form. It is. Two embodiments of the optical fiber are discussed in the patent: In the first example, seven layers of features (cladding voids) have triangular units with a feature array pitch of 2 μm. Arranged around the central defect with the cell; In a second example, the core is a silica rod surrounded by an inner layer of six features, surrounded by four or more layers of smaller features having a feature pitch of 0.925 μm. Applicant has observed that the large number of features included in the optical fiber described in this patent cause the aforementioned loss problem.
국제특허출원 WO 02/39159는 단일모드 파형안내(waveguidance) 및 벤딩 손실에 대한 낮은 감도를 제공하는 특별히 설계된 클래딩을 갖는 마이크로구조의 광섬유를 기술하고 있다. 상기 광섬유는 각각이 신장된 피쳐들을 구비하는 내부 클래딩 및 외부 클래딩을 갖는다. 내부 클래딩 피쳐는 0.35 내지 0.50 범위내로 치수를 정규화하고 외부 클래딩 피쳐는 0.5 내지 0.9 범위내로 치수를 정규하며, 상기 정규화 인수는 일반적인 피쳐 간격이다. 광섬유는 2.0 마이크론 보다 큰 내부 클래딩의 피쳐 간격을 특징으로 한다.International patent application WO 02/39159 describes a microstructured optical fiber with a specially designed cladding that provides single-mode waveguidance and low sensitivity to bending losses. The optical fiber has an inner cladding and an outer cladding, each having elongated features. The inner cladding feature normalizes the dimension in the range of 0.35 to 0.50 and the outer cladding feature normalizes the dimension in the range of 0.5 to 0.9, and the normalization factor is a general feature spacing. The optical fiber is characterized by feature spacing of the inner cladding greater than 2.0 microns.
본 출원인은 WO 02/39159에 기술된 광섬유는 내부 및 외부 클래딩 홀에 대한 다른 d/Λ를 필요로 하고, 동일한 언급이 이들 광섬유에 대한 보유 전에 주어진 것을 알았다.The Applicant has found that the optical fibers described in WO 02/39159 require different d / Λ for the inner and outer cladding holes, and the same reference is given before holding for these optical fibers.
따라서, 상기에서 요약된 해당기술의 상태를 고려하여, 장거리 전송 시스템에 적합한 마이크로구조의 광섬유, 특히 매우 낮은 전송손실을 갖는 단일모드 마이크로구조의 광섬유를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 본 출원인에 따르면, 모든 가능한 감쇠 기여가 홀에서의 오염 및 결함으로 인한 손실과 클래딩을 통한 누출로 인한 손실을 포함하여 광섬유 설계에 고려되는 경우에만 매우 낮은 손실이 달성될 수 있다. Therefore, in view of the state of the art summarized above, it may be desirable to provide a microstructured optical fiber, particularly a single mode microstructured optical fiber with very low transmission loss, suitable for long distance transmission systems. According to the applicant, very low losses can only be achieved if all possible attenuation contributions are taken into account in the fiber design, including losses due to contamination and defects in the holes and losses due to leakage through the cladding.
쉽게 제조될 수 있고 합당한 제조 강인성을 보이며 특히 마이크로구조의 치수 및 규칙성에 관한 한 항상 제조에서 발생하는 작은 기하학적 결함에 무관하게 상기 광학적 성능을 보장하는 이와 같은 광섬유를 제공하는 것이 또한 필요할 수 있다. It may also be necessary to provide such an optical fiber that can be easily manufactured and exhibits reasonable manufacturing toughness and that ensures the optical performance regardless of the small geometrical defects that always occur in manufacturing, especially when it comes to the dimensions and regularity of the microstructures.
본 출원인은 실리카 마이크로구조의 광섬유의 기하학적 성질, 특히, 홀 링의 개수, 홀 및 코어의 치수와 홀간의 간격을 적절하게 선택함으로써 (물 흡수 및 표면 결함에 의한) 레이리 산란 및 클래딩을 통한 방사 누출 사이의 최적화된 밸런스로 인해 특히 감소된 신호손실을 가지며, 큰 기계적 강도를 가지고 제조하기가 쉬운 장거리 통신에 적합한 마이크로구조의 광섬유를 얻을 수 있음을 발견하였다. 제안된 광섬유는 이점적으로 넓은 파장대역에서 단일모드이다.Applicant radiates through Rayleigh scattering and cladding (due to water absorption and surface defects) by appropriately selecting the geometry of the silica microstructured optical fiber, in particular the number of hole rings, the dimensions of the holes and cores and the spacing between the holes. It has been found that an optimized balance between leaks results in microstructured optical fibers that are particularly suitable for long distance communication with reduced signal loss and easy to manufacture with large mechanical strength. The proposed fiber is advantageously monomode over a wide wavelength band.
본 출원인은 특히 상기 요구조건들이 코어 주위로 2개 또는 3개의 링을 형성하는 길이방향 홀들을 가지며, 단일의 도핑되지 않은(그리고 이에 따라 저손실의) 재료의 매트릭스, 바람직하게는 순수 실리카로 제조된 마이크로구조의 광섬유에 의해 실행되는 것을 발견하였다. 여기서, 홀간의 평균거리(Λ)는 적어도 6㎛이며, 코어의 유효반경(reff) 사이의 비와 홀간의 평균거리는 거의 1이고, 홀의 직경(d)과 홀간의 평균거리의 비는 적어도 약 0.5이다.The Applicant in particular has said longitudinal requirements having longitudinal holes forming two or three rings around the core and made of a single undoped (and thus low loss) material matrix, preferably pure silica. It was found to be implemented by microstructured optical fibers. Here, the average distance Λ between holes is at least 6 μm, the ratio between the effective radius of the core and the average distance between holes is almost 1, and the ratio of the diameter d of the holes to the average distance between holes is at least about 0.5. to be.
이렇게 설계된 광섬유에서, 특히 홀간의 비교적 큰 평균거리와 상기 홀간의 평균거리에 대한 홀의 비교적 큰 치수로 인해, 클래딩을 통한 방사 누출이 적게 유 지될 수 있다 더욱이, 비교적 적은 홀 개수로 인해, 표면 결함으로 인한 레이리 산란과 (물을 포함하는) 불순물 흡수로 인한 감쇠문제가 줄어들고, 광섬유는 제조가 쉬워지고 큰 기계적 강도를 갖는다. 본 출원인은 또한 홀간의 거리에 대한 홀의 치수를 증가시킴으로써 레이리 산란 및 불순물 흡수 문제를 줄이는데 기여하는 것을 검증했다. 코어 도핑된 광섬유에서 도판트 농도 변동으로 인해 유도되는 바와 같이 레이리 산란에 대한 그 밖의 기여들은 순수한 실리카 코어의 제공으로 인해 방지된다. 더욱이, 광섬유는 홀간의 평균거리에 대해 코어의 비교적 적은 치수로 인해 단일모드이다. In the optical fiber thus designed, in particular, due to the relatively large average distance between the holes and the relatively large dimension of the hole with respect to the average distance between the holes, radiation leakage through the cladding can be kept small. Moreover, due to the relatively small number of holes, surface defects Due to Rayleigh scattering and attenuation problems due to absorption of impurities (including water), optical fibers are easier to manufacture and have greater mechanical strength. Applicants have also verified that contributing to reducing Rayleigh scattering and impurity absorption problems by increasing the dimensions of the hole relative to the distance between the holes. Other contributions to Rayleigh scattering, as induced by the dopant concentration variations in core doped optical fibers, are prevented due to the provision of pure silica cores. Moreover, the optical fiber is single mode due to the relatively small dimensions of the core relative to the average distance between holes.
따라서, 본 발명의 제 1 태양에 따르면, 본 발명은 중심 축을 가지며, 상기 축을 따라 뻗어 있고, 제 1 굴절률을 갖는 도핑되지 않은 제 1 재료로 제조되는 코어와, 상기 코어와 같은 넓이를 가지고 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 클래딩은 상기 제 1 재료로 제조된 배경 매트릭스와, 상기 배경 매트릭스에 형성된 복수의 홀을 구비하며, 상기 홀들은 상기 광섬유 축에 평행하게 뻗어있고 실질적으로 동심 링으로 상기 코어 주위에 배열되며, 상기 제 1 굴절률보다 더 낮은 제 2 굴절률을 갖는 제 2 재료로 충진되고, 상기 홀들로 된 링의 개수는 2개 또는 3개이며, 상기 홀들의 평균거리 적어도 약 6㎛이고, 상기 코어의 유효반경과 상기 홀들 사이의 평균거리 간의 비는 커야 1이며, 상기 홀들의 평균치수와 상기 홀들 사이의 평균거리 간의 비는 적어도 0.5인 마이크로구조의 광섬유를 나타내고 있다.Thus, according to a first aspect of the present invention, the present invention has a central axis, extends along the axis, and is made of an undoped first material having a first index of refraction, and having the same width as the core. A cladding surrounding the cladding, the cladding having a background matrix made of the first material and a plurality of holes formed in the background matrix, the holes extending parallel to the optical fiber axis and substantially extending into a concentric ring. Filled with a second material arranged around the core and having a second index of refraction lower than the first index of refraction, the number of rings of holes being two or three, with an average distance of at least about 6 μm The ratio between the effective radius of the core and the average distance between the holes is at most 1, and the ratio between the average dimension of the holes and the average distance between the holes is Even it shows an optical fiber of 0.5, microstructure.
바람직하기로, 상기 홀들은 규칙적인 패턴을 따라 배열된다. 특히, 상기 홀들은 바람직하게는 삼각형 패턴을 따라 배열된다. 상기 홀들의 링의 개수는 3개인 경우, 상기 복수의 홀들은 바람직하게는 많아야 36개의 홀들을 포함한다. 상기 홀들의 링의 개수는 2개인 경우, 상기 복수의 홀들은 바람직하게는 많아야 18개의 홀들을 포함한다. Preferably, the holes are arranged in a regular pattern. In particular, the holes are preferably arranged in a triangular pattern. When the number of rings of holes is three, the plurality of holes preferably includes at most 36 holes. If the number of rings of holes is two, the plurality of holes preferably includes at most eighteen holes.
상기 제 1 재료는 바람직하게는 실리카이다. 상기 제 2 재료는 바람직하게는 공기이다.The first material is preferably silica. The second material is preferably air.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 광섬유는 적어도 1400㎚ 내지 1650㎚ 사이의 파장범위내에 있는 단일모드 광섬유이다.In a preferred embodiment of the invention, the optical fiber is a single mode optical fiber in the wavelength range between at least 1400 nm and 1650 nm.
바람직하기로, 상기 코어의 유효반경과 상기 홀들 사이의 평균거리 간의 비가 많아야 0.8이다.Preferably, the ratio between the effective radius of the core and the average distance between the holes is at most 0.8.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 홀들은 모두 치수가 동일할 수 있다: 상기 홀들의 링 개수는 바람직하게는 3개이다.In a preferred embodiment of the invention, the holes may all have the same dimensions: the number of rings of the holes is preferably three.
바람직하기로, 상기 홀들간의 평균거리는 적어도 약 9㎛이다.Preferably, the average distance between the holes is at least about 9 μm.
상기 홀들의 평균직경과 상기 홀들 사이의 평균거리 간의 비는 적어도 약 0.55, 더 바람직하게는 적어도 약 0.6이다. The ratio between the average diameter of the holes and the average distance between the holes is at least about 0.55, more preferably at least about 0.6.
본 발명의 또 다른 태양은 이전 항들 중 어느 한 항에 따라 구현된 광섬유를 포함하는 광통신 시스템을 포함한다. Another aspect of the invention includes an optical communication system comprising an optical fiber implemented according to any of the preceding claims.
본 발명의 이들 및 다른 특징과 이점은 첨부도면을 참조로 단지 한정되지 않는 예로서 제공되는 몇몇 실시예에 대한 아래의 상세한 설명에 의해 명백해진다. These and other features and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description of some embodiments, which are provided by way of example only and not by reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저손실 광섬유가 이점적으로 사용되는 장거리 광전송 시스템을 매우 개략적으로 도시한 것이다.1 is a very schematic illustration of a long distance optical transmission system in which a low loss fiber is advantageously used in accordance with an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 장거리 전송 시스템의 저손실 광전송 광섬유의 세그먼트를 개략적으로 도시한 것이다.2 schematically illustrates a segment of a low loss optical transmission optical fiber of the long distance transmission system of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
도 3은 확대된 크기로 도 2의 저손실 광섬유의 횡단면도를 개략적으로 도시한 것이다.3 schematically illustrates a cross-sectional view of the low loss optical fiber of FIG. 2 in an enlarged size.
도 4는 소정의 고정된 비 d/Λ(d: 클래딩 홀의 평균직경; Λ: 홀 피치)와 다른 Λ/λ 비(λ: 광섬유에 의해 전송되는 광의 파장)에 대한 광섬유 클래딩에서 홀들로 된 셀 또는 링 개수 N(가로좌표)의 함수로서 광섬유 감쇠(세로좌표 dB/㎞)를 도시한 도표이다.Fig. 4 shows a cell with holes in optical fiber cladding for a certain fixed ratio d / Λ (d: average diameter of cladding holes; Λ: hole pitch) and another Λ / λ ratio (λ: wavelength of light transmitted by the optical fiber). Or a diagram showing optical fiber attenuation (vertical coordinates dB / km) as a function of the number of rings N (horizontal coordinate).
도 5는 다른 Λ/λ 비에 대한 d/Λ 비의 함수로서 클래딩에서 홀들로 된 2개 링(N=2)을 갖는 광섬유의 감쇠(세로좌표, dB/㎞)를 도시한 도표이다. FIG. 5 is a plot showing the attenuation (vertical coordinates, dB / km) of an optical fiber with two rings (N = 2) of holes in the cladding as a function of the d / Λ ratio for another Λ / λ ratio.
도 6은 소정의 고정된 비 d/Λ 및 클래딩에서 홀의 링 다른 개수 N(N=2,3,4,5)에 대한 Λ/λ 비의 함수로서 광섬유의 감쇠(세로좌표, dB/㎞)를 도시한 도표이다. Fig. 6 shows the attenuation of the optical fiber as a function of Λ / λ ratio for a given fixed ratio d / Λ and another number of rings N (N = 2,3,4,5) of the holes in the cladding (vertical coordinates, dB / km). This is a chart.
도 7은 Λ/λ 비의 다른 값에 대한 d/Λ 비의 함수로서 광섬유 손실의 확률분포의 평균에 대한 표준편차의 비를 도시한 (세로좌표, dB/㎞) 도표이다. FIG. 7 is a plot (vertical coordinates, dB / km) showing the ratio of the standard deviation to the mean of the probability distribution of fiber loss as a function of the d / Λ ratio to other values of the Λ / λ ratio.
도 8은 6cm 직경의 주축상에 턴 당 매크로벤딩 손실(세로좌표, dB/㎞)로 인한 광섬유 감쇠를 도시한 도표이다. FIG. 8 is a plot showing optical fiber attenuation due to macro bending loss (vertical coordinates, dB / km) per turn on a 6 cm diameter major axis.
도 1에서, 서로 매우 멀리 떨어져 위치된 송신국("TX STATION")(105)과 수신 국("RX STATION")(110)을 구비하는 장거리 광전송 시스템(100)이 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 거리는 수천 킬로미터일 수 있다(상기 송신국과 수신국(105,110)은 예컨대 대서양의 각 측면에 위치될 수 있다).In FIG. 1, a long distance
2개국(105 및 110)은 다수의 케이블 스팬(115a,115b,…,115n)으로 구성된 광섬유 광케이블(115)에 의해 광학적으로 서로 결합되어 있고, 상기 각 스팬(115a,115b,…,115n)은 케이블을 구성하는 광케이블에 의해 도입된 전체적으로 걸친 감쇠에 의한 실질적으로 손상되는 최대 길이를 갖는다. 예컨대, 종래 업도핑된 코어 실리카 광섬유에서, 0.2dB/㎞의 손실을 특징으로 하는 최대 스팬길이는 약 100㎞이다(이는 스팬을 따라 이동하는 광신호가 겪는 약 20dB의 전체적인 감쇠에 해당한다).The two
중간 케이블 스팬(115a,115b,…,115n) 사이에서, 일반적으로 (광전자 및 전자광 변환장치가 필요로 하는 경우에, 모두 광학적이거나 대부분 통상적으로 전기 적일 수 있는) 증폭기들과 가능하게는 선행 케이블 스팬을 통한 전파에서 감쇠되었던 광신호를 재생하기 위한 추가 소자들을 포함하는 중계국(regeneration station)("REG")(120)이 제공된다. Between the intermediate cable spans 115a, 115b,..., 115n, amplifiers (possibly both optical or mostly conventional electrical, if desired by the optoelectronic and electrooptical converters) and possibly the preceding cable A regeneration station ("REG") 120 is provided that includes additional elements for reproducing an optical signal that has been attenuated in propagation through the span.
도 2를 참조하면, 예컨대 시스템(100)에 사용되는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유(200)의 세그먼트가 개략적으로 도시되어 있다: 동일한 광섬유(200)가 도 3에서 확대된 크기의 횡단면도로 도시되어 있다.With reference to FIG. 2, a segment of an
특히, 광섬유(200)는 광섬유(200)의 축 A-A을 따라 뻗어 있는 복수의 마이크로구조 또는 간단히 홀(215)을 구비하는 마이크로구조의 클래딩(210)에 의해 둘러싸인 순수한 재료로 제조된 광섬유 코어(205)를 구비하는 마이크로구조의 광섬유이다. 홀(215)의 어레이는 특히 코어(205)와 동일한 순수하고 도핑되지 않은 재료로 형성된 배경 매트릭스(220)에 형성되어 있고, 홀들은 코어(205)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 (고체, 액체 또는 기체, 가능하게는 단지 공기 중 어느 하나) 재료로 충진된다.In particular, the
광섬유(200)는 바람직하게는 거의 800㎚ 에서 거의 1700㎚까지 매우 낮은 감쇠를 가지며 전송을 허용하는 실리카 유리로 제조된다. 약 1550㎚의 파장에서 0.2dB/㎞ 미만의 최소 손실이 가능하게 얻어질 수 있다. 그러나, 변형된 실리카 유리 또는 다른 산화물 또는 칼코지나이드 유리(chalcogenide glass)와 같은 다른 저손실 재료가 또한 고려될 수 있다.The
마이크로구조의 클래딩(210)은 배경 매트릭스(220) 및 홀 공극과 동일한 재료로 된 외부 클래딩(225)에 의해 둘러싸인다. 전체(외부 클래딩(225)을 포함) 광섬유 직경은 D로 표기된다.The
광섬유 코어(205)보다 더 낮은 굴절률을 갖는 재료로 채워진 홀(215)의 제공으로 인해, 광섬유(200)가 단일 재료로 제조되더라도, 광섬유에서 광빔 전파에 의해 겪게 되는 클래딩(210)의 유효 굴절률이 코어(205)의 굴절률 보다 낮고, 따라서 광빔은 실질적으로 코어(205)내에 가두어 진다.Due to the provision of the
홀(215)은 바람직하게는 도면에 예시적으로 도시된 바와 같이 삼각형 패턴과 같이 규칙적인 패턴을 따라 배열된다: 특히, 본 명세서에 고려된 예시적인 실시예에서, 홀(215)은 원형이며, 실질적으로 동일한 직경 d을 가지며, 실질적으로 등거리 Λ(중심 대 중심 간격)로 상호 이격되어 있다.The
코어(205)는 바람직하게는 홀 어레이에서 한 홀이 없이, 가능하게는 홀 어레이에서 한 홀 보다 많이 없이, 이루어지므로, 마이크로구조 격자의 "결함"이 형성된다. 그러나, 본 발명은 홀의 동심원 어레이에 의해 둘러싸인 고체 코어영역과 같은 격자 "결함"에 의해 형성되지 않는 코어(205)를 갖는 광섬유에도 또한 적용될 수 있다. 광섬유 축 A-A으로부터 반경방향 외부로 이동하면서, 홀(215)의 연이은 동심링들에 마주친다. 하기의 본 발명의 설명에서, 홀링의 개수는 N으로 표기된다. 본 발명에 따르면, 링의 개수는 2개 이상, 바람직하게는, 3개이다. 도시된 예에서, 링의 개수 N는 3개이다.The
홀(215)이 바람직하게는 삼각형 어레이를 따라 배열되나, 원형, 육각형 및 사각형 패턴과 같이 다른 홀배열이 가능한 것을 알게 된다. The
바람직하기로, 홀들은 직경이 동일하나, 다른 링에서의 홀들은 다른 직경을 갖는 홀배열도 가능한 것을 알게 된다. 또한, 홀은 원형과는 다른 형태를 가질 수 있다.Preferably, the holes are the same in diameter, but the holes in the other rings are found to have hole arrangements with different diameters. In addition, the hole may have a different shape from the circular shape.
deff로 표시된 코어(205)의 유효 직경은 홀의 내부링에 내접된 원의 직경에 해당한다. 코어가 중앙 홀 없이 형성된 경우, deff = 2Λ-2d/2 = 2Λ-d인 것이 도시되어 있다. 따라서, reff(reff=deff/2)로 표시된 코어(205)의 유효 반경은 Λ-d/2이다.The effective diameter of the core 205 denoted by d eff corresponds to the diameter of the circle inscribed in the inner ring of the hole. When the core is formed without a central hole, it is shown that d eff = 2Λ-2d / 2 = 2Λ-d. Thus, the effective radius of the
본 발명의 광섬유는 reff/Λ가 약 1, 바람직하게는 약 0.8 이하이게 하는 유효반경 reff을 갖는다. 본 출원인은 실제로 이하 도입된 비 d/Λ 비에 대한 조건과 함께 이 조건이 광섬유에 부여되어 약 1300㎚에서 약 1650㎚의 파장범위내에서 단일모드 광섬유로서 동작하는 것을 검증하였다.The optical fiber of the present invention has an effective radius r eff such that r eff / Λ is about 1, preferably about 0.8 or less. Applicant has verified that this condition, in addition to the conditions for the ratio d / Λ ratio introduced below, is applied to the optical fiber and operates as a single mode optical fiber in the wavelength range of about 1300 nm to about 1650 nm.
마이크로구조의 광섬유는 여러 가지 다른 방식으로 제조될 수 있다.Microstructured optical fibers can be manufactured in many different ways.
실시예가 예컨대 미국특허 No. US 5,802,236호에 기술된 마이크로구조의 광섬유를 제조하는 가장 보편적인 기술 중 하나는 앞서 언급된 "적층 및 인출"이다. 이 기술에 따르면, 많은 개수의 솔리드 실리카 로드와 공동 실리카 로드(실리카 캐필러리 관)들이 최종 광섬유에서 얻어지는 홀들의 배열을 복제하며 공동 유리 실린더내에 꽉찬 공간배열로 적층된다. 그런 후, 적층된 실리카 로드가 함께 접합되고 최종적인 광섬유 모재가 종래 인출 고로로 이송되어 종래의 모재 인출방법에 의해 인출된다.Examples include, for example, US Pat. One of the most common techniques for producing microstructured optical fibers described in US Pat. No. 5,802,236 is the above-mentioned "stacking and drawing". According to this technique, a large number of solid silica rods and hollow silica rods (silica capillary tubes) are stacked in a tight array of spaces in a hollow glass cylinder, replicating the arrangement of holes obtained in the final optical fiber. Thereafter, the laminated silica rods are bonded together and the final optical fiber base material is transferred to the conventional drawing blast furnace and drawn out by the conventional base material drawing method.
예컨대 유럽특허 EP 1 172 339 A1에 기술된 마이크로구조 광섬유를 제조하는 또 다른 공지 기술은 졸-겔 방법을 사용한다. 일반적으로 실린더형 몰드가 관통하여 뻗어있는 다수의 신장된 요소들을 가지며 제공된다: 그런 후 실리카 함유 졸이 상기 몰드에 도입되고 졸이 겔로 되거나 허용된다. 결과적으로 발생한 겔바디가 몰드로부터 제거되고 신장된 요소들이 (신장된 요소들의 성질에 따라 기계적 추출 또는 가능하게는 화학적 작용이나 열분해(pyrolysis)에 의해) 상기 겔바디로부터 제거된다. 그리고 나서 겔바디는 건조되고 소결된다. 마지막으로, 소결된 바디를 인 출함으로써 마이크로구조의 광섬유가 얻어진다.Another known technique for producing microstructured optical fibers, for example described in
마이크로구조의 광섬유는 또한 예컨대 미국특허 US 5,774,779에 기술된 타입의 압출기반 기술을 이용하여 형성될 수 있다.Microstructured optical fibers may also be formed using extrusion-based techniques of the type described, for example, in US Pat. No. 5,774,779.
마이크로구조의 광섬유를 제조하는 다른 기술들이 해당기술분야에 공지되어 있음 알았다.It has been found that other techniques for making microstructured optical fibers are known in the art.
통신 애플리케이션에 적합하고 특히 도 1의 시스템(100)과 같은 장거리 통신 시스템에 사용하기에 알맞기 위해, 광섬유(200)는 광섬유를 통해 진행하는 광빔의 감쇠를 최소로 줄이기 위해 매우 낮은 손실을 가져야 한다. 이는 무엇보다도 광섬유 스팬을 더 길게하여 이에 따라 중계국을 줄이게 한다.In order to be suitable for communication applications and particularly for use in long distance communication systems such as the
본 명세서에 기술된 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 이점은 광이 주로 진행하는 순수한, 도핑되지 않은 재료(실리카)의 광코어(205)의 제공인 것을 알았다: 이는 본 명세서의 도입부에 거론된 바와 같이 도판트의 농도에서의 변동으로 인한 레이리 산란에 기인한 광손실이 방지되는 것을 보장한다.It has been found that the advantage of an optical fiber according to the exemplary embodiment described herein is the provision of an
그러나, 이는 전체적으로 걸친 광섬유 손실이 낮은 것을 보장하기에는 자체적으로 불충분하다. 실제로, 광섬유 마이크로구조의 클래딩(210)은 유한한 두께를 가지며, 광이 이를 통해 누출될 수 있다; 이러한 현상은 광 감쇠를 증가시킨다. 적절한 클래딩을 사용하지 않고서는 클래딩을 통한 누출이 매우 많은 홀들이 사용되지 않는 한 신호전송에 있어 중대한 제한적인 요인이 되는 것으로 지적되었다.However, this is in itself insufficient to ensure that the overall fiber loss is low. Indeed, the
본 명세서의 도입부에 언급된 바와 같이, 홀들로 된 링 개수가 증가함에 따른 광섬유 손실의 감소는, 홀 피치 대 진행하는 광빔 파장(Λ/λ)의 비 및 홀 직경 대 홀 피치(d/Λ)의 비의 값에 대한 손실의 의존도와 함께, 이미 문헌에 보고되어 있다. 따라서, 이들 종래 참조문헌으로부터 도출되는 결론은 광손실을 줄이기 위해 홀 링의 개수가 증가되어야 한다는 것이다. As mentioned at the beginning of this specification, the reduction in fiber loss as the number of rings of holes increases, results in a ratio of hole pitch to advancing light beam wavelength (Λ / λ) and hole diameter to hole pitch (d / Λ). Along with the dependence of the loss on the value of the ratio, it is already reported in the literature. Thus, the conclusion drawn from these conventional references is that the number of hole rings must be increased to reduce light loss.
그러나, 상기에서 거론한 바와 같이, 본 출원인은 손실을 더 낮추기 위해, 홀 개수가 증가하면, 다른 문제가 실제로 하이드록실기 및 금속 불순물에 의한 더 큰 흡수, 홀 표면의 거칠기로 인해 증가된 레이리 산란, 제조 복잡도의 증가 및 광섬유 약점의 증가 등에 직면하는 것을 관찰하였다. 이들 문제를 제한하기 위해, 홀 개수는 가능한 한 낮게 유지되어야 한다.However, as discussed above, Applicants note that if the number of holes is increased to further reduce the loss, another problem is actually increased due to the greater absorption by hydroxyl groups and metal impurities, the roughness of the hole surface. It was observed that scattering, increased manufacturing complexity, and increased optical fiber weakness were encountered. In order to limit these problems, the hole number should be kept as low as possible.
그런 후, 본 출원인은 링의 개수가 (앞서 진술한 바와 같이, 적은 개수의 링을 갖는 것을 필요로 하는) 마지막에 언급된 문제를 제한해야 하는 필요와 (반대로, 많은 개수의 링을 갖는 것을 필요로 하는) 클래딩을 가로지르는 광누출을 제한해야 하는 필요 모두를 고려하여 선택되어야 한다는 것을 알았다. The Applicant then needs to have a large number of rings (as opposed to the need to limit the last mentioned problem (which would require having a small number of rings, as stated above). It has been found that the selection should be made in consideration of all the need to limit light leakage across the cladding.
하기의 논의에서는, 손실이 소정 레벨 이하인 것을 보장하는 필요로 하는 마이크로구조의 최소 개수를 발견하도록 하는 기준이 제시되어 있다.In the discussion that follows, a criterion is presented to find the minimum number of microstructures needed to ensure that the losses are below a certain level.
1550㎚에서 1.44에 가까운 실리카 굴절률을 사용하고 페라리니 등의 상기 언급한 논문 'Leakage Losses in Photonic crystal Fibers', FI5, OFC 2003, vol. 2, p.699-700에 나타낸 맥스웰 방정식에 대한 본질적으로 정확한 해를 채택하여, 여러 조건하에서 유한한 두께의 클래딩을 통한 누출이 계산되었다. 실리카 광섬유에 대한 결과가 이하에 보고되어 있다(결과들이 광섬유 배경 매트릭스(220)의 굴절률에 약하게 의존하나, 상기 결과는 실리카와는 다른 매트릭스 재료에 대해서도 또한 적 어도 질적으로 유효하게 유지되고 있는 것이 언급되어 있다).The above-mentioned paper 'Leakage Losses in Photonic crystal Fibers' using a silica refractive index close to 1.44 at 1550 nm and Ferrarini et al., FI5, OFC 2003, vol. By adopting an intrinsically accurate solution to the Maxwell's equation shown in 2, p. 699-700, leakage through finite thickness cladding under various conditions was calculated. The results for silica optical fibers are reported below (the results are weakly dependent on the refractive index of the optical
직경 d의 공기 충진된 홀들(215)로 된 몇몇 링들로 이루어진 클래딩에 있는 홀들의 기하학적 분포는 광섬유 코어(205) 주위로 피치 Λ의 삼각형 격자를 따라 배열되어 있다. 광섬유 코어(205)는 배경 매트릭스(220)와 동일한 재료(즉, 순수한 도핑되지 않은 실리카)로 된 홀 어레이의 중앙 격자 "결함"(즉, 하나의 홀이 없는 것을 특징으로 하는 어레이의 중앙영역)인 것으로 가정된다. The geometric distribution of the holes in the cladding of several rings of air filled
도 3을 참조하면, 홀들(215)로 된 2개링(N=3) 및 3개링(N=3)을 갖는 광섬유는 특히 홀들이 각각 18개 및 36개 홀을 의미하는 삼각형 패턴으로 배열된 것으로 고려하여 조사되었다. Referring to FIG. 3, an optical fiber having two rings (N = 3) and three rings (N = 3) of
광섬유의 전체 직경 D은 125㎛이고, 격자 피치 Λ는 10㎛이며, 비 d/Λ=0.5인 것으로 고려되었다(여기서 d는 홀 직경이거나 홀들이 모두 동일한 직경이 아닌 경우, 평균 홀 직경이다; 홀들이 원형이 아닌 경우, 직경 d는 유효 직경과 같이 홀의 평균 치수를 기술하는 파라미터로 대체될 수 있다).The total diameter D of the optical fiber was 125 μm, the grating pitch Λ was 10 μm, and it was considered that the ratio d / Λ = 0.5 (where d is the average hole diameter if the holes diameter or the holes were not all the same diameter; If these are not circular, the diameter d can be replaced by a parameter describing the average dimension of the hole, such as the effective diameter).
홀들의 삼각형 분포는 일정하게 이격된 홀들을 특징으로 하여 보다 나은 이점을 취하는 것이 관찰되었다. 더욱이, 소정의 클래딩 두께에 대해, 삼각형 분포는 홀들의 다른 주기적 분포 또는 비주기적 분포에 비해 가장 작은 개수의 홀들을 특징으로 한다.It has been observed that the triangular distribution of holes is characterized by uniformly spaced holes to take a better advantage. Moreover, for a given cladding thickness, the triangular distribution features the smallest number of holes compared to other periodic or aperiodic distributions of holes.
일련의 측정에서, 본 출원인은 홀들의 치수 및 거리의 다른 조합을 위해 홀들로 된 2개 또는 3개 링을 갖는 광섬유의 성능과 더 많은 개수의 홀들을 갖는 광섬유를 비교하였다.In a series of measurements, we compared the performance of an optical fiber with two or three rings of holes with a larger number of holes for different combinations of dimensions and distances of the holes.
로그 크기로 광섬유 감쇠를 세로좌표에 그리고 클래딩(210)에서 홀들(215)의 링 개수 N을 가로좌표에 도시한 도 4의 도면에 나타낸 바와 같이, Λ/λ(및 0.5인 d/Λ)의 비와 동일한 값에 대해, 클래딩을 통한 방사 누출은 홀의 링 개수 N에 따라 지수적으로 감소되는 것을 알았다.As shown in the figure of FIG. 4, which plots the optical fiber attenuation at logarithmic scale in logarithmic dimensions and the number of rings N of
이 행동은 클래딩 배리어(cladding barrier)를 통과하는 제한된 코어 방사에 대한 간단한 터널링 모델을 사용하여 정량적으로 이해될 수 있으며, 배리어를 통과하는 누출은 그 두께에 따라 지수적으로 감소된다. 이하에서, "클래딩 두께" Lclad를 사용하여 홀에 의해 차지되는 영역, 즉, 마이크로구조의 클래딩(210)의 반경방향 치수를 나타낸다.This behavior can be quantitatively understood using a simple tunneling model of limited core radiation through the cladding barrier, and leakage through the barrier is exponentially reduced with its thickness. In the following, the " cladding thickness " L clad is used to indicate the area occupied by the hole, ie the radial dimension of the
따라서 홀의 링 개수 N를 증가시킴으로써 클래딩을 통과하는 방사 누출이 무시되게 할 수 있는 것으로 추정될 수 있다.It can therefore be assumed that by increasing the ring number N of the holes, radiation leakage through the cladding can be ignored.
그러나, 홀 개수는 N2으로 증가하고, 이는 상술한 바와 같이 광섬유 제조 및 전송손실 면에서 커다란 결점이다.However, the number of holes increases to N 2 , which is a great drawback in terms of optical fiber manufacturing and transmission loss as described above.
따라서, 본 출원인은 다른 2개의 파라미터에 따른 클래딩을 통한 방사 누출의 의존도를 조사하였다: 광섬유에 다시 피치 Λ 및 홀드 직경 d가 삼각형 격자로 배열된다.Thus, we investigated the dependence of the radiation leakage through the cladding according to the other two parameters: the pitch Λ and the hold diameter d are again arranged in a triangular grating on the optical fiber.
도 5의 도표는 홀들로 된 2개 링을 갖는 광섬유에 대해 로그 크기의 광섬유 감쇠(dB/㎞)를 세로좌표에 그리고 d/Λ 비의 값을 가로좌표에 도시한 것이다. 상기 도표에 나타낸 바와 같이, 클래딩을 통한 방사 누출은 고정된 Λ/λ(λ는 방사 파 장임) 비의 값에서 d/Λ 비의 값이 증가함에 따라 감소한다. The diagram of FIG. 5 shows logarithmic fiber attenuation (dB / km) in ordinate and d / Λ ratio values in abscissa for an optical fiber with two rings of holes. As shown in the diagram above, the radiation leakage through the cladding decreases as the value of the d / Λ ratio increases at the value of the fixed Λ / λ (λ is the radiation wavelength) ratio.
이 행동은 광 탈출에 대하여 배리어를 증가시키기 위해 제공되는 d/Λ 비의 값이 증가(배경 매트릭스에 비해 공기가 우세)함에 따라 클래딩의 유효 굴절률의 감소되는 것으로 정량적으로 이해될 수 있다. This behavior can be quantitatively understood as the effective refractive index of the cladding decreases as the value of the d / Λ ratio provided to increase the barrier to light escape increases (air prevails relative to the background matrix).
도 6의 도표는 홀들로 된 2개, 3개, 4개 및 5개 링을 갖는 광섬유에 대해 로그 크기의 광섬유 감쇠(dB/㎞)를 세로좌표에 그리고 Λ/λ 비의 값을 가로좌표에 도시한 것이다. 클래딩을 통한 방사 누출은 고정된 d/Λ 비의 값에서 Λ/λ 비의 값이 증가함에 따라 감소한다. 이 행동은 광의 탈출에 대한 배리어의 높이는 Λ/λ가 증가함에 따라 감소하나, 클래딩의 유효 굴절률은 배경 재료의 굴절률과 제한된 모드의 굴절률에 가까와 지게 되므로, 클래딩 층의 두께의 증가가 더 현저해지고 그 결과 광의 터널링 효과가 떨어지고 방사 누출이 감소된다.6 shows logarithmic fiber attenuation (dB / km) in ordinate and Λ / λ ratio values in abscissa for two, three, four and five rings of holes. It is shown. Radiation leakage through the cladding decreases with increasing value of the Λ / λ ratio at a fixed d / Λ ratio. This behavior decreases as the height of the barrier to light escape increases with Λ / λ, but the effective refractive index of the cladding is closer to the refractive index of the background material and the refractive index of the limited mode, so that the increase in the thickness of the cladding layer becomes more pronounced and the The result is less tunneling effect of light and less radiation leakage.
도 5 및 도 6에서 도표 형태로 나타낸 N=2 및 N=3에 국한된 누출값(dB/㎞)이 아래 표 1에 요약되어 있다. Leak values (dB / km) limited to N = 2 and N = 3 in graphical form in FIGS. 5 and 6 are summarized in Table 1 below.
표 1: 홀들로 된 2개 링(위쪽) 및 홀들로 된 3개 링(아래쪽)을 갖는 마이크로구조의 광섬유에 대한 Λ/λ 및 d/Λ의 함수로서 클래딩 누출Table 1: Cladding leakage as a function of Λ / λ and d / Λ for a microstructured fiber with two rings of holes (top) and three rings of holes (bottom)
본 출원인은 단지 마이크로구조의 클래딩에서 전자기장의 행동을 설명하기 위해 적절한 파라미터를 식별하였다. 이러한 파라미터는 클래딩에서 광의 "면내 파장(in-plane wavelength)" λp이다.Applicant has identified appropriate parameters to describe the behavior of the electromagnetic field only in the cladding of the microstructure. This parameter is the "in-plane wavelength" λ p of light in the cladding.
예컨대 에이. 브자크레브 등의 'Photonic cyrstal fibers-The state-of-the-art', 28th European Conference on Optical Communication ECOC 02, 코펜하겐, 덴마크, 2002에 의한 이미 인용된 논문인 마이크로구조의 광섬유에 대한 이전 문헌에서 이미 입증된 바와 같이 (대응하는 광결정(photonic crystal)의 가장 큰 굴절률로서 계산되는) 유효 클래딩 굴절률 neff 및 (고려되는 구조에 대한 전파 방정식의 해로부터 계산된) 모드 굴절률 nm이 주어지면, 클래딩에서 광의 "면내 파장(in-plane wavelenght)" λp은 다음과 같이:For example A. In the earlier literature on microstructured fiber, a paper already cited by Bzarkrev et al, 'Photonic cyrstal fibers-The state-of-the-art', 28th European Conference on
정의되고, 여기서 λ는 광섬유를 통해 진행하는 광의 파장이다. 2π 인수는 전자기장이 클래딩에서 반경방향으로 쇠퇴하는 행동을 갖는 사실을 설명한다; 실제로, 파장 λp은 클래딩 영역에서 기울기의 역수를 2배한 만큼의 반경을 따른 전자기장 강도의 로그 좌표로 쉽게 판독된다.Where λ is the wavelength of light traveling through the optical fiber. The 2π factor accounts for the fact that the electromagnetic field has a radial decay behavior in the cladding; In practice, the wavelength λ p is easily read out as the logarithmic coordinate of the electromagnetic field strength along the radius of twice the inverse of the slope in the cladding region.
하기에 더 상세히 거론되는 바와 같이, 비교적 작은 개수의 홀에도 불구하고 클래딩을 통한 방사 누출을 낮게 유지하도록 하기 위해, 가장 안쪽 홀과 가장 바깥쪽 홀 사이의 평균거리는 광섬유 축에 수직한 면의 광 파장에 비해 충분히 커야 한다.As discussed in more detail below, in order to keep the radiation leakage through the cladding low despite a relatively small number of holes, the average distance between the innermost and outermost holes is the optical wavelength of the plane perpendicular to the fiber axis. It should be large enough for.
바람직하기로, 홀들 간의 평균거리는 면내 파장에 비해 너무 크지 않아야 한다; 특히, Λ는 바람직하게는 6λp보다 작다. 이는 클래딩을 통과하는 방사 누출이 한정된 채로 있고 불균일한 홀 거리 및 직경과 같은 기하학적 부정확성에 대하여 제어상태에 있는 광섬유를 갖게 한다.Preferably, the average distance between the holes should not be too large for the in-plane wavelengths; In particular, Λ is preferably less than 6λ p . This allows the radiation leakage through the cladding to remain finite and to have the optical fiber in control against geometrical inaccuracies such as uneven hole distance and diameter.
또한, 면내 파장은 바람직하게는 신호가 전송되는 광 파장에 비해 너무 크지 않아야 한다: 바람직하기로 λp는 3λ 보다 작다. 이는 작은 매크로밴딩 손실을 갖는 광섬유를 갖게 한다.In addition, the in-plane wavelength should preferably not be too large for the light wavelength over which the signal is transmitted: preferably λ p is less than 3λ. This results in an optical fiber with a small macrobanding loss.
홀의 분포 및 크기를 주의깊게 선택함으로써, 컷오프 파장 및 적절한 군속도 분산과 같은 다른 이점적인 광학적 특성들을 갖는 광섬유를 얻을 수 있다.By carefully selecting the distribution and size of the holes, it is possible to obtain an optical fiber with other advantageous optical properties such as cutoff wavelength and proper group velocity dispersion.
실리카로 제조되고 장거리 광통신 시스템에 사용되도록 의도된 광섬유에 대해, 클래딩을 통한 0.01dB/㎞ 미만의 방사 누출을 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 실험적 터널링 모델을 사용한 광범위한 수치 시뮬레이션 및 해석으로부터 이러한 요구조건이 광 λp의 면내 파장보다 적어도 10배 더 큰 마이크로구조의 클래딩(210)의 두께 Lclad에 대해서 달성되는 것을 알았다. For optical fibers made of silica and intended for use in long distance optical communication systems, it may be desirable to achieve radiation leakage of less than 0.01 dB / km through cladding. Extensive numerical simulations and interpretations using experimental tunneling models have shown that this requirement is achieved for the thickness L clad of the
삼각형 홀 격자를 고려하면, 클래딩 두께 Lclad는 격자 피치 Λ와 홀들로 된 링 개수 N 모두에 관계 있으며, 기본적으로 유효 코어치수로 인해, 제 1 링의 작은 감소와는 별도로, 약 0.1Λ의 곱 NΛ으로 주어진다. Considering a triangular hole grating, the cladding thickness L clad is related to both the grating pitch Λ and the number of rings N of holes, and basically due to the effective core dimension, multiplying by about 0.1Λ, apart from the small decrease of the first ring. Is given by NΛ.
홀(215)의 다른 기하학적 분포에 대해, 홀 분포가 충분히 균일하고, 클래딩이 원형인 경우, 클래딩 두께 Lclad는 하기 식에 의해 마이크로구조(215)의 평균 상호거리 Λave, 마이크로구조(홀)(215)의 개수 Nm, 및 광섬유 축 A-A로부터 마이크로구조의 평균거리 Lavg와 관련될 수 있다:For other geometric distributions of the
여기서, 이고, dij는 i번째 및 j번째 마이크로구조(215)의 중심 간의 거리이며, 첨자 i 및 j는 전 마이크로구조에 대해 이어지고, 이고, ri는 광섬유 축과 i번째 마이크로구조의 중심 사이의 거리이다.here, D ij is the distance between the centers of the i-th and j-
삼각형 격자에 대해, 상기 나타낸 식은 2개의 링(N=2)에 대해 Lclad=1.82Λ를 그리고 3개의 링(N=3)에 대해 Lclad=2.64Λ를 제공하며, 이는 NΛ에 대한 단순한 측정과 유사하다: 불일치는 유효 클래딩을 정의하기 위한 동일한 원형 클래딩의 사용으로 인해 발생하는 한편, 삼각형 격자에 대해 이와 같은 형태는 원형이다. For a triangular lattice, to provide a L clad = 2.64Λ for the L clad = 1.82Λ for the expression of two rings (N = 2) shown above, and the three rings (N = 3), this simple measure for NΛ Similar to: The mismatch arises due to the use of the same circular cladding to define the effective cladding, while for triangular lattice this form is circular.
아래 표 2에서, 고려되는 삼각형 격자 클래딩에 대해, 계산된 Λ/λ 및 d/Λ 비의 다른 값에 대한 λp/λ 및 Λ/λp의 계산값이 나타나 있다. In Table 2 below, for the triangular lattice cladding under consideration, the calculated values of λ p / λ and Λ / λ p for other values of the calculated Λ / λ and d / Λ ratios are shown.
표 2: 다른 Λ/λ 및 d/Λ에 대해 계산된 λp/λ(위쪽) 및 Λ/λp(아래쪽)Table 2: λ p / λ (top) and Λ / λ p (bottom) calculated for different Λ / λ and d / Λ
표 2의 결과와 연결하여, 무시할 수 있는 누출이 Λ/λ 및 d/Λ 비의 더 큰 값에 대한 홀들로 된 2개의 링(N=2) 및 Λ/λ 및 d/Λ 비의 더 작은 값에 대한 홀들로 된 3개 링(N=3)을 사용하여 달성될 수 있음을 알았다.In conjunction with the results in Table 2, the negligible leakage is two rings with holes for larger values of the Λ / λ and d / Λ ratios (N = 2) and the smaller of the Λ / λ and d / Λ ratios. It was found that this can be achieved using three rings of holes (N = 3) for the values.
특히, 약 1400㎚ 에서 약 1650㎚까지의 파장범위의 통신 애플리케이션에 대해, 상기 요구조건들은 피치 Λ가 6㎛ 보다 크고, 바람직하게는 9㎛보다 더 크며, 홀 직경 대 피치의 비 d/Λ가 0.5보다 크고, 바람직하게는 0.6보다 크다. In particular, for communications applications in the wavelength range from about 1400 nm to about 1650 nm, the requirements are that the pitch Λ is greater than 6 μm, preferably greater than 9 μm, and the ratio of hole diameter to pitch d / Λ Greater than 0.5, preferably greater than 0.6.
Λ/λ 비의 더 큰 값(즉, 광 파장에 비해 더 큰 홀 피치 값)을 통한 두꺼운 클래딩(즉, 비교적 큰 값의 Lclad를 갖는 클래딩)을 특징으로 하는 광섬유는 유효 굴절률 차 Δn(광코어(205)와 마이크로구조의 클래딩(210) 사이의 굴절률 차)가 비교적 작고, 모드 필드 직경이 결과적으로 큰 문제를 가질 수 있음을 알았다. 이들 조건은 매크로벤딩 및 마이크로벤딩 손실에 대한 가능성 있는 문제를 나타낸다. 이러한 손실은 또한 각각 코팅 연화성(coating softness), 케이블 타입, 및 스플라이스 접합(splice joints)과 같은 다른 설계, 제조 및 적용 요인에 따른다. 그러나, 단단히 감겨진 보빈에 대한 테스트가 매크로벤딩을 특징으로 하는 표준이다: 예컨대, 중요 테스트는 12㎝ 직경의 보빈상에 감겨진 광섬유를 고려한 것이다: 광섬유는 벤딩에 의해 유도된 손실이 dB/m의 비를 초과하지 않는 경우 통신 애플리케이션에 대해 강건한 것으로 고려된다.Optical fibers characterized by thick cladding (i.e. cladding with a relatively large value of L clad ) through larger values of the Λ / λ ratio (ie, larger hole pitch values relative to the wavelength of the light) have an effective refractive index difference Δn (light It has been found that the difference in refractive index between the core 205 and the
본 출원인은 또한 홀 표면에서 발생된 광손실에 대한 d/Λ 비의 영향을 이론적으로 조사하였다. 이들 광손실은 표면 거칠기로 인한 레이리 산란 손실과 홀 표면에 있는 외인성 불순물에 의해 유도된 광흡수를 포함한다. 광손실 모두는 실질적으로 홀 표면에서의 전자기장 강도에 비례한다. 본 출원인은 아래의 무차원 파라미터 R이 파장 λ에서 이들 손실 효과를 특징으로 할 수 있음을 발견했다:Applicants have also theoretically investigated the effect of the d / Λ ratio on the light loss generated at the hole surface. These light losses include Rayleigh scattering losses due to surface roughness and light absorption induced by exogenous impurities on the hole surface. All of the light losses are substantially proportional to the field strength at the hole surface. The Applicant has found that the following dimensionless parameter R can be characterized by these loss effects at wavelength λ:
여기서, θ는 0 과 2π 사이에 있고, 은 광섬유 축에 수직한 면에 있는 홀들을 한정하는 원주를 따르는 좌표이며, 는 광섬유 축에 수직한 면의 좌표이고, 는 전기장이다. 따라서, 선적분이 광섬유 축에 수직한 면에 있는 홀 경계 위로 행해지고, 면적분은 전체면에 걸쳐 행해진다. 면적분은 기본적으로 광섬유에 의해 전송되는 전력속(power flux)에 비례하며 적절한 정규화를 제공한다.Where θ is between 0 and 2π, Is the coordinate along the circumference that defines the holes in the plane perpendicular to the fiber axis, Is the coordinate of the plane perpendicular to the fiber axis, Is the electric field. Thus, the shipment is done over the hole boundary on the plane perpendicular to the optical fiber axis, and the area distribution is over the entire surface. The area fraction is basically proportional to the power flux transmitted by the fiber and provides proper normalization.
인수 R은 동일한 공정 조건에서 제조된 피치 비에 대한 다른 직경을 특징으로 하는 광섬유에 대한 유용한 비교를 허용한다. 실제로, 홀 표면에서 고려되는 조건(즉, 외인성 불순물의 존재와 거칠기)은 기본적으로 홀 직경 d과는 무관한데, 이는 직경 d이 마이크로미터인 반면에, 구조 거칠기는 서브-나노미터이고 홀 표면으로 유입되는 금속 불순물의 확산은 서브-마이크로미터이다.The factor R allows for a useful comparison for optical fibers characterized by different diameters to pitch ratios produced at the same process conditions. In practice, the conditions considered at the hole surface (ie the presence and roughness of the exogenous impurities) are basically independent of the hole diameter d, while the diameter d is micrometers, while the structural roughness is sub-nanometer and The diffusion of incoming metal impurities is sub-micrometer.
전기장이 홀로의 투과(및 이에 따라 표면에 대한 전기장 강도)는 공기(또는 진공) 굴절률 및 실리카 유리 굴절률 사이의 큰 차로 인해 크게 억제되는 것으로 당업자에게 알려져 있다. 본 출원인은 주어진 파장에 대해 홀이 더 클 수록 이러한 억제가 더 높아지는 것을 발견했다. 더욱이, 본 출원인은 홀 치수를 증가시킴으로써, 더 작은 개수의 홀들이 양호한 필드 가둠에 필요할 뿐만 아니라 단지 광섬유의 코어에 가장 가까운 홀들만이 인수 R에 상당한 기여를 하는 것을 알았다. 다르게는, 홀들이 작은 경우, 홀로의 전기장 투과 억제가 저하되고, 코어에서의 저하된 필드 가둠으로 인해 많은 개수의 홀들이 사용되는 것이 요구된다. 따라서, 많은 개수의 홀들이 인수 R에 기여한다.It is known to those skilled in the art that the transmission of the electric field into the hole (and thus the electric field strength to the surface) is greatly suppressed due to the large difference between the air (or vacuum) refractive index and the silica glass refractive index. Applicants have found that the larger the hole for a given wavelength, the higher this suppression. Furthermore, the Applicant has found that by increasing the hole dimension, smaller numbers of holes are not only required for good field confinement, but only the holes closest to the core of the optical fiber make a significant contribution to the factor R. Alternatively, when the holes are small, the suppression of electric field transmission into the holes is lowered and a large number of holes are required to be used due to the reduced field confinement in the core. Thus, a large number of holes contribute to the factor R.
상기 식을 사용하여, 본 출원인은 본 발명에 따른 마이크로구조의 광섬유와 피치 비에 대해 훨씬 더 낮은 직경을 갖는 마이크로구조의 광섬유의 행동을 비교하였다. 특히, 본 출원인은 d/Λ=0.55 및 Λ=12㎛인 제 1 광섬유와 d/Λ=0.2 및 Λ=7.4㎛인 제 2 광섬유을 고려하였으며, 상기 두 광섬유는 실질적으로 약 150㎛2의 동일한 모드 유효면적을 갖는다. 계산된 값은 제 1 광섬유에 대해 λ=1.55㎛에서 R=1.7×10-3이고 제 2 광섬유에 대해 λ=1.55㎛에서 R=6.5×10-3이였다. 홀 표면에서 발생된 손실을 나타내는 R 값은 제 1 광섬유에 대해서보다 제 2 광섬유에 대해서 거의 4배 이상임을 알 수 있다.Using the above formula, we compared the behavior of microstructured optical fibers according to the present invention and microstructured optical fibers with much lower diameters for pitch ratios. In particular, the Applicant considered a first optical fiber with d / Λ = 0.55 and Λ = 12 μm and a second optical fiber with d / Λ = 0.2 and Λ = 7.4 μm, the two optical fibers being substantially the same mode of about 150 μm 2 . It has an effective area. The calculated value was R = 1.7 × 10 −3 at λ = 1.55 μm for the first optical fiber and R = 6.5 × 10 −3 at λ = 1.55 μm for the second optical fiber. It can be seen that the R value representing the loss generated at the hole surface is almost four times higher for the second optical fiber than for the first optical fiber.
본 출원인은 또한 디. 마큐즈(D. Marcuse)의 'Curvature loss formula for optical fibers' Journal of the Optical Society of America, vol. 66, pages 216-220, 1976에 기술된 바와 같이 단계형 굴절률 광섬유(step index fiber)에 대해 광범위하게 사용되는 공식을 사용하고, 동일한 단계형 굴절률 광섬유를 형성하기 위해 에이. 브자크레브 등의 'Photonic cyrstal fibers-The state-of-the-art', 28th European Conference on Optical Communication ECOC 02, 코펜하겐, 덴마크, 2002에 의한 이미 인용된 논문에서 또한 기술된 마이크로구조의 광섬유에 대한 유효 굴절률 모델을 사용하여 매크로밴딩 손실을 조사하였다. 그 결과가 아래 표 3에 나타나 있다. 상기 접근은 예컨대 Electronic Letters vol. 37, page 287-289(2001)에서 관련성 있는 것으로 나타났다. Applicant also found that D. D. Marcuse's 'Curvature loss formula for optical fibers' Journal of the Optical Society of America, vol. 66, pages 216-220, 1976, using a widely used formula for step index fiber, to form the same step refractive fiber. Microstructured optical fibers also described in the already cited papers by 'Photonic cyrstal fibers-The state-of-the-art', 28 th European Conference on
표 3: 12㎝ 직경의 보빈 주위로 감겨진 광섬유에 대해, 다른 Λ/λ 및 d/Λ에 대해 dB/㎞ 단위로 측정된 매크로밴딩 손실Table 3: Macrobanding losses measured in dB / km for different Λ / λ and d / Λ for optical fibers wound around 12cm diameter bobbins
단계형 굴절률 광섬유에 대한 상기 인용된 식의 지수는 직접적으로 λp/λ에 비례하기 때문에, 이 비는 3보다 더 작은 λp/λ 비의 값을 갖는 광섬유에서와 같이매크로밴딩 손실에 내성있는 광섬유를 특징으로 하는데 사용될 수 있다. Since the exponent of the above-cited formula for stepped refractive fibers is directly proportional to λ p / λ, this ratio is resistant to macrobanding losses, as in optical fibers with values of λ p / λ ratios less than 3. It can be used to characterize an optical fiber.
추가로, 구현된 기하학적 형태가 설계된 타겟의 기하학적 형태로부터 일정한 편차를 나타내는 경우, 마이크로구조의 광섬유의 제조에 있어 있을 수 있는 문제가 조사되었다. In addition, problems have been investigated in the fabrication of microstructured optical fibers where the implemented geometry exhibits a certain deviation from the geometry of the designed target.
특히, 본 출원인은 Λ에 대한 표준편차 σT를 특징으로 하는 가우시안 확률분포를 사용하여, 정확히 예측된 평균값 주위로, 마이크로구조의 광섬유에서 홀의 위치 및 직경의 편차에 대한 효과를 조사하였다. In particular, the Applicant used a Gaussian probability distribution, characterized by the standard deviation σ T over Λ, to investigate the effect on hole position and diameter variation in the microstructured optical fiber around the exactly predicted mean value.
이러한 편차로부터 발생된 이상(disorder)은 항상 클래딩을 통한 클래딩 방사 누출을 증가시키고 결국 큰 이상에 대해 평균보다 더 큰 표준편차를 사용하여 상기 누출의 확률분포가 큰 값으로 왜곡되게 하는 것을 알았다. 이들 확률 분포는 (평균보다 더 큰 표준편차를 갖는) 이들 광섬유를 더 큰 크기로 제조하려는 경우에는 관심을 끌지 못하게 된다. Disorders resulting from these deviations have always been found to increase cladding radiation leakage through cladding and eventually to distort the probability distribution of the leakage to large values using standard deviations larger than average for large abnormalities. These probability distributions are of no interest when trying to produce these fibers with larger sizes (with standard deviations greater than the mean).
특히, Λ/λ 및 d/Λ 비의 큰 값을 갖는 광섬유는 이 문제에 더 민감한 것을 알았다. 예로서, 도 7의 도표는 d/Λ 비 값의 함수로서 Λ/λ 비의 다른 값들에 대한 클래딩 누출의 확률분포의 평균 대 표준편차의 비를 세로좌표에 도시한 것이다. 또한, 간단한 파라미터 λp는 제조 부정확에 대해 상당히 강건한 광섬유를 특징으로 하는데 사용될 수 있다. 특히, 본 출원인은 광범위한 수치계산으로부터 홀간의 평균거리 Λavg가 Λavg<λp인 경우 6%까지의 상대 σT에 대해 양호한 제조 수율이 보장되는 것을 알았다.In particular, it has been found that optical fibers with large values of Λ / λ and d / Λ ratios are more sensitive to this problem. As an example, the diagram of FIG. 7 shows in ordinate the ratio of the mean to standard deviation of the probability distribution of cladding leaks over other values of the Λ / λ ratio as a function of the d / Λ ratio value. In addition, the simple parameter λ p can be used to characterize an optical fiber that is quite robust against manufacturing inaccuracies. In particular, the Applicant has found from the extensive numerical calculation that good production yield is ensured for relative σ T of up to 6% when the average distance Λ avg between holes is Λ avg <λ p .
표 2에서, 삼각형 격자 클래딩 경우에 대한 비 Λ/λp가 나타나 있다. 홀간의 평균거리 Λavg에 대한 상기 제한이 6% 보다 작은 상대 σT에 대해 완화될 수 있는 것으로 지적되었다.In Table 2, the ratio Λ / λ p for the triangular lattice cladding case is shown. It was pointed out that the above limitation on the average distance Λ avg between holes could be relaxed for relative σ T less than 6%.
수치 시뮬레이션에 의해 얻은 2개의 바람직한 실시예가 본 명세서에서 하기에 나타나 있다.Two preferred examples obtained by numerical simulations are shown here below.
바람직한 실시예Preferred Embodiment
제 1 예로서, 소정의 클래딩 누출이 0.01dB/㎞(즉, 보다 더 엄격한 조건)이하로 설정되는 초저손실(ultra-low loss) 애플리케이션용 광섬유에 대한 본 발명의 애플리케이션이 고려된다. 이는 일반적으로 도 1의 시스템과 같은 장거리 광통신 시스템에서 사용하기 위한 광섬유의 경우이다.As a first example, an application of the present invention to an optical fiber for ultra-low loss applications in which a predetermined cladding leakage is set below 0.01 dB / km (ie, more stringent conditions) is considered. This is generally the case for optical fibers for use in long distance optical communication systems such as the system of FIG.
본 출원인은 홀들로 된 3개링을 갖는 광섬유를 고려한 것으로, 특히 36개 홀들이 Λ=12㎛, d/Λ=0.55(즉, d=6.6㎛) 및 reff/Λ=0.725 치수를 갖는 삼각형 패턴에 따라 배열된다.Applicant contemplates an optical fiber with three rings of holes, in particular a 36-hole triangle pattern with Λ = 12 μm, d / Λ = 0.55 (ie d = 6.6 μm) and r eff /Λ=0.725 dimensions Are arranged according to.
이 광섬유는 고차모드가 600dB/㎞ 이상의 매우 큰 클래딩 누출과 큰 벤딩 손실을 겪기 때문에 기본적으로 단일모드이다. 직선 광섬유로 된 몇 십 미터의 적정 길이는 실질적으로 단일 모드 광섬유와 같이 행동하는데 이는, 더 높은 모드들로 전송되는 전력이 이러한 길이에 대하여 진행한 후 효과적으로 무시될 수 있기 때문이다. 따라서, 클래딩을 통한 방사 누출은 편의상 고차 모드를 필터링하는데 사용된다. This fiber is basically single-mode because the higher-order mode suffers from very large cladding leakage and large bending losses of more than 600dB / km. The proper length of a few tens of meters of straight fiber acts substantially like a single-mode fiber because the power transmitted in higher modes can be effectively ignored after proceeding over this length. Thus, radiation leakage through the cladding is used for filtering higher order modes for convenience.
1550㎚에서의 단일모드 전송을 위해, 본 출원인은 제조 허용오차에 대한 의존성이 있으나 상기 광섬유에 대해 0.01dB/㎞ 미만의 클래딩 누출을 측정하였다. For single mode transmission at 1550 nm, we measured cladding leakage of less than 0.01 dB / km for the optical fiber, although dependent on manufacturing tolerances.
클래딩 누출을 통한 필터링 방식은 광섬유가 케이블화되고 스플라이스 박스에서 표준 주축 위로 감겨지는 경우 고차모드의 손실에 의해 제공되는 케이블 광섬유에서 발생하는 유용한 필터링과 협력한다. 이 실시는 케이블 컷오프 파장 λcc을 정의한다. 0.6㎝ 직경의 보빈을 갖는 기본 보빈 위로 고차모드의 매크로밴딩(MB) 손실은 항상 도 8의 표에 도시된 바와 같이 실리카 유리의 투명 윈도우 전면에 걸쳐 기본 모드에 대한 손실 이상이기 때문에, 케이블 컷오프 파장 λcc은 확실히 장거리 전송 광섬유에 대해 요구되는 이러한 투명 윈도우 아래에 있다. 특히, 1400㎚에서 1625㎚ 대역의 기본모드에 대한 (60㎜ 직경의 축상에 100회 턴에 대해 0.01dB보다 낮은) 매크로밴딩 손실은 무시될 수 있는 반면에, 고차모드에 대해서는 매 크다. 기본모드는 1550㎚에서 150㎛2의 현저한 유효영역을 갖는다. 도핑된 실리카의 유효영역에 비해 순수한 도핑되지 않은 실리카의 더 작은 비선형성과 결합된 이와 같은 큰 유효영역은 또한 초장거리 애플리케이션에 대해 현저히 낮은 비선형성 해를 제공한다. 더욱이, 1550㎚에서 26ps/(㎚㎞)의 큰 군속도 분산이 비선형성 파장혼합 영향을 제한하는데 더 일조한다.Filtering through cladding leaks cooperates with the useful filtering that occurs in cable fiber provided by the loss of higher-order mode when the fiber is cabled and wound over the standard spindle in the splice box. This implementation defines the cable cutoff wavelength λ cc . Cable cutoff wavelength, because the higher order macrobanding (MB) loss over the basic bobbin with 0.6 cm diameter bobbin is always more than the loss for the basic mode over the transparent window front of the silica glass, as shown in the table of FIG. λ cc is certainly beneath this transparent window, which is required for long distance transmission fibers. In particular, macrobanding losses (lower than 0.01 dB for 100 turns on an axis of 60 mm diameter) for the fundamental mode in the 1400 nm to 1625 nm band can be neglected, whereas for the higher order mode. The basic mode has a significant effective area of 150 μm 2 at 1550 nm. This large effective area, combined with the smaller nonlinearity of pure undoped silica compared to the effective area of doped silica, also provides a significantly lower nonlinear solution for ultra long distance applications. Moreover, large group velocity dispersion of 26 ps / (nm km) at 1550 nm further helps to limit the nonlinear wavelength mixing effect.
분산값은 홀 직경 d와 같은 하나 이상의 기하학적 파라미터를 약간 가변시킴으로써 동조될 수 있다.The variance value can be tuned by slightly varying one or more geometric parameters, such as hole diameter d.
본 발명에 따른 광섬유 구조는 특히 장거리 통신 애플리케이션에 적합하나, 지상 시스템에서와 같이 단거리 통신 애플리케이션에도 또한 몇가지 이점을 제공할 수 있다. 이들 애플리케이션에 대한 광섬유는 이점적으로 약 2㎞ 마다 하나의 스플라이스를 특징으로 하는 지상 애플리케이션에 대해, 광링크용으로 전반적으로 더 낮은 감쇠로 전달되는 낮은 스플라이스 손실을 갖기 위해 큰 유효면적을 갖는다. The optical fiber structure according to the present invention is particularly suitable for long distance communication applications, but may also provide several advantages for short distance communication applications such as in terrestrial systems. Fiber optics for these applications have a large effective area to have low splice losses that are delivered with lower attenuation overall for optical links, advantageously for terrestrial applications that feature one splice about every 2 km. .
단거리 시스템은 메트로-링(metro-ring) 또는 그 일부로부터 소실되며 수 ㎞에서 수십 ㎞까지 최대 10Gbit/s로 진행하는 보상되지 못하고 증폭되지 못한 링크를 포함할 수 있다. 최저 시스템 비용을 위해, 1310㎚ 주변의 단일 파장 또는 기껏 몇 파장의 전송이 이들 거리에 바람직하다. Short-range systems may include uncompensated and non-amplified links that are lost from the metro-ring or portions thereof and progress up to 10 Gbit / s from a few kilometers to tens of kilometers. For the lowest system cost, transmission of a single wavelength around 1310 nm or at most several wavelengths is desirable for these distances.
실리카의 손실이 1310㎚에서 약 0.3dB/㎞인 경우, 0.1dB/㎞의 클래드 누출(따라서, 이전 예에서 보다 더 한 차수 더 큰 크기의 손실)이 허용될 수 있다.If the loss of silica is about 0.3 dB / km at 1310 nm, a clad leak of 0.1 dB / km (and thus a magnitude larger loss than in the previous example) can be tolerated.
약 0.35dB/㎞의 표준 단일모드 광섬유의 손실에 비하면, 이 추가 손실은 실질적으로 전력 예산과 고려되는 길이에 걸친 시스템 비용을 증가시키지 않는다. Λ=15㎛, 홀들 된 2개 링 및 d/Λ=0.6를 사용하여, 가이드 모드의 유효면적은 스플라이싱 손실을 상당히 낮추는 200㎛2 이상이며, 종래 표준모드 광섬유에 비해 0.05dB/㎞의 간신히 더 큰 손실을 쉽게 회복한다. 군속도 분산은 1310㎚에서 약 6ps/(㎚㎞)이다. 이는 표준 단일모드제품에서와 같이 애플리케이션에 사용된 레이저 소스의 품질에 무관하게 50㎞ 이상의 길이에 대한 분산보상을 방지하게 한다. 고차모드가 광섬유에서 전파되나, 클래드 누출은 60dB/㎞ 보다 더 크다.Compared to the loss of a standard single mode fiber of about 0.35 dB / km, this additional loss does not substantially increase the power budget and system cost over the considered length. Using Λ = 15 μm, two holes with holes and d / Λ = 0.6, the effective area of the guide mode is 200 μm 2 or more, which considerably lowers the splicing loss and is 0.05 dB / km compared to the conventional standard mode fiber. Barely recovers larger losses. Group velocity dispersion is about 6 ps / (nm km) at 1310 nm. This prevents dispersion compensation over 50 km in length, regardless of the quality of the laser source used in the application, as in standard single-mode products. Higher-order modes propagate in the fiber, but the clad leakage is greater than 60 dB / km.
고려되는 애플리케이션에 대해, 광섬유는 효과적으로 단일모드 및 높은 비트속도 전송에 적합하다. 60㎜ 직경의 축에 대한 매크로밴딩 손실은 0.026dB/㎞이며, 이는 IEC 요구조건 미만이다.For the application under consideration, the fiber is effectively suitable for single mode and high bit rate transmission. The macrobanding loss for an axis of 60 mm diameter is 0.026 dB / km, which is below the IEC requirements.
본 출원인은 제조 허용오차에 따른 의존성이 있으나 이 광섬유에 대해 1310㎚에서 약 0.1dB/㎞ 미만인 클래딩 누출을 측정하였다. Applicants have measured cladding leakage that is less than about 0.1 dB / km at 1310 nm for this optical fiber, depending on manufacturing tolerances.
본 발명은 몇몇 실시예에 의해 개시되고 기술되었으나, 설명된 실시예에 대한 여러가지 변형 및 본 발명의 다른 실시예들도 특허청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 가능함이 당업자에게 명백하다.While the present invention has been disclosed and described by some embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications to the described embodiments and other embodiments of the invention are possible without departing from the scope of the invention as defined in the claims. It is obvious.
예컨대, 공기 충진된 홀들이 제공된 마이크로구조의 광섬유가 본 발명의 바람직한 실시예이나, 마이크로구조의 광섬유의 기하학적 형태에 대한 상술한 요구조건들이 충족되는 경우, 본 발명에 따른 마이크로구조의 광섬유는 또한 다른 타입의 마이크로구조로 또는 홀에 배치된 솔리드 로드 또는 액체 또는 공기와는 다른 기체 물질이 충진된 홀로도 구현될 수 있다.For example, if a microstructured optical fiber provided with air filled holes is a preferred embodiment of the present invention, but the above-described requirements for the geometry of the microstructured optical fiber are met, the microstructured optical fiber according to the present invention is also different. It may also be embodied as a type microstructure or as a solid rod disposed in the hole or a hole filled with a gaseous material other than liquid or air.
본 발명의 상세한 설명에 포함됨.Included in the Detailed Description of the Invention.
Claims (14)
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Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR102105496B1 (en) | 2019-09-24 | 2020-05-29 | 정재호 | optical cable |
-
2004
- 2004-05-12 KR KR1020067023472A patent/KR20070023693A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR102105496B1 (en) | 2019-09-24 | 2020-05-29 | 정재호 | optical cable |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PA0105 | International application |
Patent event date: 20061109 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
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PG1501 | Laying open of application | ||
PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |