KR20130116009A - 광섬유 - Google Patents

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KR20130116009A
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히로시 오야마다
히토시 나카지마
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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

<과제> OH 불순물이 적고, 휨 특성도 뛰어난 광섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, OH 불순물에 대해서는, 1383㎚에서의 전송 손실을 일반적인 통신 파장대 1310㎚의 전송 손실인 0.35dB/㎞ 이하로 한다.
<해결 수단> 중심부에 제1 코어, 제1 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제2 코어, 제2 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제3 코어, 및 제3 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 클래드로 이루어지고, 이 클래드의 굴절률을 기준으로 했을 때의 제1 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ1이며, 제2 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ2이며, 제3 코어의 비굴절률차의 최저치가 Δ3이며, 제1 코어의 비굴절률차(Δ1-Δ2)에 대한 반값 반경폭이 a이며, 제2 코어와 제3 코어의 경계의 반경이 b이며, 제3 코어와 클래드의 경계의 반경이 c이며, 0.30%≤Δ1≤0.45%, -0.05% ≤Δ2≤0.05%, -0.6%≤Δ3≤-0.3%, 2.85≤b/a, 10㎛≤b≤15㎛, 3㎛≤ c-b≤5.5㎛를 만족하고, 직경 10㎜의 맨드렐에 광섬유를 감았을 때의 파장 1550㎚에 있어서의 손실 증가가 0.2dB/Turn 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유{OPTICAL FIBER}
본 발명은 광통신용의 광섬유에 관한 것이며, 특히 수십㎞의 길이를 전송하는 장거리 선로 및 FTTH(Fiber To The Home)이나 LAN(Local Area Network)에 있어서의 댁내외 배선용으로서 매우 적합한 광섬유에 관한 것이다.
광섬유는 그 광대역 특성에 의해 원거리 통신의 분야에 적용되어 수십㎞이상의 장거리의 간선 선로에서 통신에 널리 이용되고 있다. 한편, 인터넷의 급속한 보급에 따라 개개의 퍼스널 컴퓨터가 송수신 하는 정보량도 비약적으로 증대하고 있다. 여기서 널리 이용되어 온 기술은 동축 케이블이나 UTP(Unshield Twist Pair) 케이블 등의 동선 전기 케이블이다. 그렇지만, 전기 케이블은 대역이 좁고, 또 전자파 잡음의 영향을 받기 쉽기 때문에 방대한 정보량을 전송하는 것은 곤란하다.
따라서, 전화국간의 장거리 통신뿐만이 아니라, 전화국과 각 사용자와의 사이의 통신에도 광섬유를 사용하여 전송 용량을 증대시키는 기술로서 FTTH가 보급되어 있다. FTTH에서는 광섬유의 광대역 특성을 이용하고, 사용자 그룹의 근방까지는 1개의 광섬유를 복수의 사용자에 공유하고, 그 후는 광신호를 사용자마다 분기하여 광섬유의 인입선을 각 사용자에 분배하는 방식이 행해지고 있다.
FTTH에서 분기점으로부터 각 사용자의 댁내까지 인입되는 광섬유나, 댁내 배선에서 이용되는 광섬유에 요구되는 중요한 특성으로서 휨(bending) 손실을 들 수 있다. 이것은 장거리 간선 케이블이 지하 덕트(duct) 등 외력의 영향을 받기 어려운 장소에 부설되기 때문에, 광섬유 본체에 가해지는 휨은 단말 용기 내의 직경 60㎜의 많아야 100회의 권회가 상정되는 것에 지나지 않는다.
이에 반해 댁내외 배선에서는 가요성을 갖게 하고 경량화하기 위해서, 비교적 직경 수㎜의 가는 코드 상태로 배선되기 때문에, 외력의 영향을 받기 쉽고, 광섬유가 받는 휨 반경도 20㎜ 이하로 되는 것이 많다. 원래 광섬유에서는 신호광이 광섬유의 코어를 따라 전반하기 때문에, 광섬유를 휜 상태에서도 전송 가능한 특징이 있지만, 그 휨 반경이 작아짐에 따라 다 전반되지 않고, 코어로부터 누설되는 광의 비율이 지수함수적으로 증대하여 전송 손실로 되어 버린다. 이것이 휨 손실이다.
휨 손실을 저감하기 위해서는 광을 보다 코어에 집약시키는 것이 효과적이며, MFD를 작게 함으로써 개선할 수 있다. 이 때문에 통상은 약 6~8㎛의 MFD의 광섬유가 이용되는 일이 많고, 이에 의해, 예를 들면, 직경 20㎜의 맨드렐(mandrel)(원통)에 광섬유를 감았을 때의 휨 손실이 파장 1550㎜에 있어서 0.5dB/Turn 이하가 실현되고 있다.
특허 문헌 1 및 기술 문헌 1에 개시된 트렌치형(trench type) 광섬유에 의해, MFD를 크게 설계하면서 휨 손실을 저감할 수 있다고 되어 있다. 이것은 옛부터 알려진 기술이지만 근년에 그 우수한 휨 손실 특성이 주목되고 있다.
석영계 유리 광섬유의 경우, 코어에는 게르마늄을 도프하여 굴절률을 높게 하고, 트렌치 부분은 F를 도프하여 굴절률을 낮게 한다. 그 외의 내측 및 외측 클래드는 순석영 또는 게르마늄이나 불소를 소량 도프할 뿐에 그쳐 굴절률을 석영 레벨에 접근시킨다.
일반적인 광섬유 모재의 제조 방법인 VAD법으로 제작하는 경우, (1) 코어(제1 코어(core)) 및 내측 클래드(clad)(제2 코어)를 제작하고, 코어/클래드 유리 중간체(중간체)로 한다. 다음에, (2) 트렌치부(제3 코어)를 형성한다. 이것은, 별도 준비한 불소 도프 유리관을 중간체에 씌움으로써 제작된다. 혹은, 유리 수트(soot) 미립자를 중간체의 외측에 주의 깊게 내뿜고, 불소 함유 가스 분위기로 열처리를 행함으로써 형성하는 것도 가능하다. 마지막으로, (3) 외측 클래드를 형성한다.
여기서, 문제인 것은 중간체/트렌치의 계면 부근에 OH기 등의 불순물이 혼입하기 쉽다고 하는 점이다. 광섬유의 광의 지나가는 길에 OH기가 많이 혼입해 있으면, 1383㎚의 파장에 OH기 기인의 광흡수 피크(peak)가 출현한다. 이 때문에 이렇게 하여 제작한 트렌치형 광섬유는 OH기 기인의 1383㎚의 전송 손실이 높고, ITU-T G.652D 규격을 만족하는 것이 곤란하였다.
미국 특허 4,852,968호
상기의 종래 기술을 감안하여, 본 발명은 OH 불순물이 적고, 휨 특성도 뛰어난 광섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, OH 불순물에 대해서는, 1383㎚에서의 전송 손실을 일반적인 통신 파장대 1310㎚의 전송 손실인 0.35dB/㎞ 이하로 한다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1~2, 및 청구항 7~8의 구성으로 한 것으로서, 즉, 본 발명의 광섬유는, 중심부에 제1 코어, 제1 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제2 코어, 제2 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제3 코어, 및 제3 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 클래드로 이루어지고, 이 클래드의 굴절률을 기준으로 했을 때의 제1 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ1이며, 제2 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ2이며, 제3 코어의 비굴절률차의 최저치가 Δ3이며, 제1 코어의 비굴절률차(Δ1-Δ2)에 대한 반값 반경폭이 a이며, 제2 코어와 제3 코어의 경계의 반경이 b이며, 제3 코어와 클래드의 경계의 반경이 c이며,
0.30%≤Δ1≤0.45%,
-0.05%≤Δ2≤0.05%,
-0.6%≤Δ3≤-0.3%,
2.85≤b/a,
10㎛≤b≤15㎛,
3㎛≤c-b≤5.5㎛
를 만족하고, 직경 10㎜의 맨드렐(mandrel)에 광섬유를 감았을 때의 파장 1550㎚에 있어서의 손실 증가가 0.2dB/Turn 이하인 것을 특징으로 하고, 파장 1310㎚에 있어서의 LP01 모드의 모드 필드 직경을 8㎛ 이상이고 10㎛ 이하로 하고 있다. 또한, 상기 b를 모드 필드 직경의 1.21배 이상으로 하고, 파장 1383㎚에 있어서의 전송 손실을 0.35dB/㎞ 이하로 하고 있다.
이에 의해 계면 위치(b)를 코어로부터 적당히 멀리하는 것이 가능하여 계면 부근에 혼입하기 쉬운 OH기의 영향을 저감할 수 있고, 1383㎚ 부근의 전송 손실을 0.35dB/㎞ 이하로 저감할 수가 있다.
또한, 상기 a, b, c, Δ1, Δ2, Δ3은 도 1에 나타낸 대로이다.
또한, 컷오프 파장을 청구항 3~6에 기재의 구성으로 함으로써, 즉, ITU-T G.650 규격에 정해진 22m의 광섬유에서 측정하는 케이블 컷오프(cable cut off) 파장이 1260㎚ 이하, 바람직하게는 상기 규격 이외에도 1260㎚ 이하로 된다. 또한, 파이버 컷오프(fiber cut off) 파장이 1420㎚ 이하, 바람직하게는 1310㎚ 이하이며, 케이블 컷오프 파장이 1260㎚ 이하이며, 파이버 컷오프 파장과 케이블 컷오프 파장의 파장의 차이가 160㎚ 이하, 바람직하게는 70㎚ 이하이며, 파이버 컷오프 파장을 1310㎚ 이하로 함으로써, 1310㎚에 있어서 실질적으로 싱글 모드 동작으로 전송시키는 것이 가능하다. 또, 2m와 22m의 컷오프 파장의 차이를 작게 함으로써, 주로 댁내 배선의 같은 22m 이하의 단거리 용도에 있어서도 싱글 모드 동작을 보증하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 광섬유에 의하면, 트렌치 부분과 내측 부분의 계면 위치를 코어로부터 멀리 함으로써, OH 불순물이 적고, 휨 특성도 뛰어난 광섬유가 얻어지는 등의 뛰어난 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 광섬유의 굴절률 분포의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 2는 1383㎚에서의 전송 손실과 b/a의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 1383㎚에서의 전송 손실과 b/MFD의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 λc-λcc와 c-b의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 광섬유에 있어서, 실시예 1~4, 비교예 1~3을 들어 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않고 여러 가지 태양이 가능하다.
VAD법에 의해 제1 코어 및 제2 코어로 이루어지는 다공질 유리 모재를 일체 합성하였다. 제1 코어에는 굴절률을 상승시키기 위한 게르마늄을 도프하였다. 이 다공질 유리 모재를 염소 분위기 가스 중에서 약 1200℃로 가열하고, 포함되는 수산기(-OH기)의 제거를 행하고, 계속해서 헬륨 분위기 가스 중에서 약 1600℃로 가열하고, 속이 찬 투명 유리 코어 모재로 하였다.
이 투명 유리 코어 모재를 유리 선반에서 소정의 직경으로 연신하고 긴 방향의 외경을 가지런히 하였다.
이 때에 유리 선반의 산수소 화염의 영향으로 표면에 OH기가 받아들여지지만, 연신 후의 투명 유리 코어 모재를 더 불화수소산 수용액에 침지하여 표면을 녹임으로써 이것을 제거하였다. 또한, 유리 선반의 가열원에 아르곤 플라스마 화염을 이용해도 좋다. 이 경우에 코어 모재의 표면에 OH기가 혼입하지 않기 때문에 불화수소산에 의한 처리를 생략할 수가 있다.
다음에, 이 투명 유리 코어 모재에, OVD법에 따라 실리카 유리 미립자를 퇴적하고, 제3 코어에 상당하는 다공질층을 형성하였다. 이것을 염소 분위기 가스 중에서 약 1200℃로 가열하고, 다공질 유리층에 포함되는 OH기의 제거를 행하고, 계속해서 4불화실란 가스를 도입함으로써 다공질 유리층에 불소를 첨가하여 유리의 굴절률을 저하시키고, 또한 헬륨 분위기 가스 중에서 약 1600℃로 가열하여 투명한 제3 코어 유리층으로 하였다. 또한, 4불화실란에 대신하여 4불화메탄이나 6불화에탄 등의 불소 함유 가스를 이용하여 처리할 수도 있다.
이와 같이 하여 제작한, 제1 코어, 제2 코어 및 제3 코어로 이루어지는 투명 코어 모재를 클래드용의 실리카 유리 튜브에 삽입하고, 튜브의 내부를 진공 펌프로 감압하면서 약 2000℃로 가열하고, 클래드와 코어부를 일체화시킨 광섬유용의 투명 유리 모재를 제작하였다. 또한, 투명 코어 모재를 튜브에 삽입하는 것이 아니라, 투명 코어 모재의 외측에 OVD법에 따라 다공질 실리카 유리층을 퇴적하고, 이를 헬륨 분위기 가스 중에서 약 1600℃ 정도로 가열함으로써 투명 유리화하는 공정을 채용해도 좋다.
제1 코어, 제2 코어, 제3 코어의 직경이나 두께를 바꾸고, 또 제1 코어에 함유시키는 게르마늄의 도프량이나 제3 코어에 함유시키는 불소의 도프량을 바꾸어 몇 개의 다른 광섬유용 유리 모재를 제작하였다.
이와 같이 하여 제작한 광섬유 모재를 약 2100℃로 가열하여 방사함으로써 실시예 1~4 및 비교예 1~3으로서 표 1에 나타낸 직경 125㎛의 광섬유를 얻었다. 표 1은 이들 실시예 및 비교예로서 얻어진 광섬유의 구조 파라미터 및 광학 특성을 나타내고 있다.
Figure pat00001
표 중에서 전송 손실은 1383㎚에 있어서의 측정치이며, 휨 손실은 휨 직경 10㎜에서의 1550㎚에 있어서의 측정치이다.
또한, 제2 코어 및 클래드는 게르마늄이나 불소를 함유하지 않는 실리카 유리로 제작되어 있지만, Δ2는 반드시 0(제로(zero))으로는 되지 않는다. 통상 대체로 -0.05~+0.05%의 델타(delta) 차이가 생긴다. 이것은 유리에 함유되는 염소가 하나의 요인이다. 다공질 유리 제작시의 원료(4염화규소 등)나 OH기 제거 공정에서 가하는 염소 가스 등의 영향으로 대체로 1000~5000ppm의 염소(Cl)를 함유하고 있다. Cl를 1000ppm 함유하면, 굴절률 Δ가 약 0.01% 정도 증가하는 것이 알려져 있다. 또, 열이력 등에 의해 생기는 잔류 왜곡의 차이도 하나의 요인이며, 압축 왜곡이 잔류하고 있으면 굴절률이 높아지는 것이 알려져 있다.
실시예 1에서는, 구조 파라미터를 조정하여 b/a=3.01로 함으로써 제2 코어와 제3 코어의 경계면을 제1 코어로부터 멀리하고 있다. 이 때문에 제2 코어와 제3 코어의 계면 부근에는 OVD 공정의 산수소 화염의 영향에 의해 1ppm 전후의 OH기가 혼입해 있지만, 이 OH기는 전반광에 영향을 미치기 어렵기 때문에, OH기 유래의 전송 손실을 효과적으로 저감할 수 있고, 1383㎚에서의 전송 손실이 0.301dB/㎞라고 하는 양호한 광섬유가 얻어진다. 직경 10㎜의 맨드렐에 감았을 때의 휨 손실은 파장 1550㎚에 있어서 0.066dB/Turn로 양호한 레벨에 있다.
실시예 2에서는 b/a=2.85로 약간 작지만, 1383㎚의 전송 손실은 0.342dB/㎞이며, 실용상 문제가 없는 레벨이다. c-b를 3.61㎛로 함으로써 22m의 광섬유에서 측정하는 케이블 컷오프 파장(λcc)과 2m의 광섬유로 측정하는 파이버 컷오프 파장(λc)의 차가 86㎚로 저하하였다.
실시예 3에서는 b/a=2.96, c-b=3.60㎛로 함으로써 λc-λcc를 60㎚로 저감하였다. 이렇게 함으로써 λc를 1310㎚ 이하의 1284㎚로 저감할 수 있고, 2m의 단척 광섬유에서도 1310㎚에 있어서 싱글 모드 동작을 가능하게 하였다.
실시예 4에서는 b/a=3.30으로 크게 되고, c-b를 4.81㎛로 함으로써 λc-λcc가 155㎚로 되고, 직경 10㎜의 맨드렐에 감았을 때의 휨 손실은 파장 1550㎚에 있어서 0.058dB/Turn으로 되어 매우 양호한 레벨에 있다.
비교예 1에서는 b/a=2.79로 약간 작은데다가 MFD가 9.01㎛로 크기 때문에 b/MFD=1.16로 되었다. 이 때문에 1383㎚의 전송 손실이 0.722dB/㎞로 커지고 있다. 또, 휨 손실도 0.643dB/Turn으로 크다.
비교예 2에서는, b/a=3.00으로 하였지만, Δ1=0.402%로 커지고 있는 것이 영향을 주어 b/MFD=1.25로 되었다. 이 때문에 1383㎚의 전송 손실이 0.666dB/㎞로 높다. 또한, c-b=5.59㎛로 크기 때문에 λc-λcc가 185㎚로 커지고 있다.
비교예 3에서는 Δ3을 -0.25%로 하였다. 이 때문에 트렌치에 의한 휨 손실 저감 효과가 미미해져 휨 손실이 0.326dB/Turn으로 큰 값을 나타내었다. 시작을 거듭한 결과, 1383㎚의 전송 손실은 (b/a) 혹은 (b/MFD)의 값과 상관이 보여지고 그 관계는 도 2, 3과 같이 되었다.
도 2, 3의 관계로부터 1383㎚의 전송 손실을 0.35dB/㎞ 이하로 하려면, b/a≥2.85로 해야 하는 것, b/MFD≥1.21로 해야 하는 것을 알 수 있다.
또, λc-λcc는 c-b의 값과 상관이 보여지고 그 관계는 도 4의 그래프와 같이 되어 있다. λc-λcc를 70㎚~160㎚ 이하로 하기 위해서는 c-b≤5.5㎛로 하는 것이 바람직하다. 한편, 비교예 1에 보여지듯이, c-b가 너무 작아지면 트렌치에 의한 휨 손실 저감 효과가 미미해짐과 아울러, 제3 코어와 클래드의 계면(여기에도 OH기가 집중하기 쉬움)이 전반광에 영향을 주게 되어, 1383㎚의 전송 손실도 악화된다. 이 때문에 c-b는 3㎛ 이상, 할 수 있으면 3.5㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Claims (8)

  1. 중심부에 제1 코어, 제1 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제2 코어, 제2 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 제3 코어, 및 제3 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 클래드로 이루어지고, 이 클래드의 굴절률을 기준으로 했을 때의 제1 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ1이며, 제2 코어의 비굴절률차의 최대치가 Δ2이며, 제3 코어의 비굴절률차의 최저치가 Δ3이며, 제1 코어의 비굴절률차(Δ1-Δ2)에 대한 반값 반경폭이 a이며, 제2 코어와 제3 코어의 경계의 반경이 b이며, 제3 코어와 클래드의 경계의 반경이 c이며,
    0.30%≤Δ1≤0.45%,
    -0.05%≤Δ2≤0.05%,
    -0.6%≤Δ3≤-0.3%,
    2.85≤b/a,
    10㎛≤b≤15㎛,
    3㎛≤c-b≤5.5㎛
    를 만족하고, 직경 10㎜의 맨드렐에 광섬유를 감았을 때의 파장 1550㎚에 있어서의 손실 증가가 0.2dB/Turn 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    파장 1310㎚에 있어서의 LP01 모드의 모드 필드 직경이 8㎛ 이상이고 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    ITU-T G.650 규격에 정해진 22m의 광섬유에서 측정하는 케이블 컷오프 파장이 1260㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    파이버 컷오프 파장이 1420㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    케이블 컷오프 파장이 1260㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    파이버 컷오프 파장과 케이블 컷오프 파장의 파장의 차이가 160㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 b가 모드 필드 직경의 1.21배 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    파장 1383㎚에 있어서의 전송 손실이 0.35dB/㎞ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
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