KR20140088151A - 게르마늄-인 공동-도핑 다중모드 광섬유 - Google Patents

게르마늄-인 공동-도핑 다중모드 광섬유 Download PDF

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밍-준 리
푸시카르 탠던
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

적어도 하나의 실시예에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유는:
(i) GeO2 및 1 내지 12 mole %의 P2O5로 공동 도핑되고, 이중 알파 α1 및 α2[여기서, 840과 1100 nm간 파장(λ) 범위에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4]를 갖는 실리카계 코어; 및
(ii) 상기 코어를 둘러싸는 실리카계 클래딩 영역을 포함하며,
상기 섬유는 개구수 NA를 갖고 0.185 ＜ NA ＜ 0.25(보다 바람직하게 0.185 ≤ NA ≤ 0.23)이다. 바람직하게, 상기 코어를 둘러싸는 실리카계 클래딩 영역은 순수 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다.

Description

게르마늄-인 공동-도핑 다중모드 광섬유{Ge-P Co-doped Multimode Optical Fiber}
본 출원은 본 출원은 2011년 11월 4일 출원된 미국 특허출원 제13/289,021호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 발명은 통상 광섬유에 관한 것으로, 경사형 굴절률 다중모드 섬유에 관한 것이며, 특히 경사형 굴절률 게르마니아-인 공동-도핑 다중모드 섬유에 관한 것이다.
종래 광섬유의 기술과 관련된다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 광섬유의 코어에 게르마니아(GeO2) 및 인 공동-도핑된 광섬유에 관한 것이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유: (i) GeO2 및 1 내지 12 mole %의 P2O5로 공동 도핑되고, 이중 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 파장(λ) 범위에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4)를 갖는 실리카계 코어; 및 (ii) 상기 코어를 둘러싸는 실리카계 클래딩 영역을 포함하며, 상기 섬유는 개구수 NA를 갖고 0.185 ≤ NA ≤ 0.25(보다 바람직하게 0.185 ≤ NA ≤0.23)이다. 바람직하게, 상기 코어를 둘러싸는 실리카계 클래딩 영역은 순수 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다. 몇몇 실시예들에 있어서, 이러한 실리카계 영역은 F로 다운-도핑되고, 선택적으로 Ge를 포함할 것이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 이러한 실리카계 클래딩 영역은 임의 또는 비주기적으로 분포된 보이드들(예컨대 가스로 채워진)을 포함한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 코어는 약 200 내지 2000 ppm by wt.의 Cl 및 1.2 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 포함한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 실리카계 코어는 GeO2 및 P2O5의 합이 19 mole %보다 크지 않도록 GeO2(예컨대, 0.5 mol % 내지 11 mol % 최대 농도) 및 약 1 내지 11 mol % P2O5 농도를 포함한다. 바람직하게, GeO2 및 P2O5의 합이 12 mol %보다 크지 않고, 보다 바람직하게 10 mol %보다 크지 않다. 바람직하게, 상기 섬유는 약 0.185와 0.25간의 개구수 NA(예컨대, 0.185 ≤ NA ≤ 0.23, 또는 0.185 ≤ NA ≤ 0.215, 또는 0.195 ≤ NA ≤ 0.225, 또는 2 ≤ NA ≤ 2.1)를 갖고 800 nm와 900 nm 내 적어도 한 파장에서 2 GHz-Km 이상인 대역폭을 갖는다.
하나의 실시예에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유는: (i) GeO2 및 약 1 내지 9 wt. %의 P2O5로 공동 도핑되고, 약 200 내지 2000 ppm by wt.의 Cl을 포함하고, 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 갖고, 이중(dual) 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 파장 범위의 적어도 한 파장(바람직하게 850 nm)에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4)를 갖는 실리카계 코어; 및 (ii) 그러한 코어 영역을 둘러싸고 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하고, 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카계 영역을 포함한다. 상기 섬유는 0.185와 0.215간의 개구수를 갖는다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유는: (i) GeO2 및 약 0.5 내지 10 mole %의 P2O5(바람직하게 1 내지 8 mole %)로 공동 도핑되고, 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 갖고, 이중 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 파장 범위의 적어도 한 파장(바람직하게 850 nm)에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4)와 물리적 코어 직경 Dc(여기서 Dc=2R1이고 25 ≤ Dc ≤ 55 μ이며, 몇몇 실시예들에서 25 ≤ Dc ≤ 45 μ)를 갖는 실리카계 코어; 및 (ii) (a) 상기 코어를 둘러싸고 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하고 (b) 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카계 클래딩 영역을 포함한다. 상기 섬유(10)는 0.185와 0.215간의 개구수를 갖고, 800과 900 nm의 범위에 놓인 적어도 한 파장에서 2 GHz-Km보다 큰 대역폭을 갖는다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유는: (i) GeO2 및 약 0.5 내지 10 mole %의 P2O5(바람직하게 1 내지 8 mole %)로 공동 도핑되고, 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 갖고, 이중 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 파장 범위의 적어도 한 파장(바람직하게 850 nm)에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4)와 물리적 코어 직경 Dc(여기서 Dc=2R1이고 45 ≤ Dc ≤ 55 μ)를 갖는 실리카계 코어; 및 (ii) (a) 상기 코어를 둘러싸고 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하고 (b) 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카계 클래딩 영역을 포함한다. 상기 섬유(10)는 0.185와 0.215간의 개구수를 갖고, 800과 900 nm의 범위에 놓인 적어도 한 파장에서 2 GHz-Km보다 큰 대역폭을 갖는다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유는: (i) GeO2 및 약 1 내지 11 mole %의 P2O5로 공동 도핑되고, 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 갖고, 이중 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 파장 범위의 적어도 한 파장(바람직하게 850 nm)에서 1.8≤α1≤3.4 및 1.9≤α2≤2.4)와 코어 직경 Dc(여기서 45 ≤ Dc ≤ 55 μ)를 갖는 실리카계 코어; 및 (ii) (a) 상기 코어를 둘러싸고 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하고 (b) 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카계 클래딩 영역을 포함한다. 상기 섬유(10)는 0.185와 0.215간의 개구수를 갖고, 800과 900 nm의 범위에 놓인 적어도 한 파장에서 2 GHz-Km보다 큰 대역폭 및 900과 1300 nm의 범위에 놓인 적어도 한 파장에서 2 GHz-Km보다 큰 대역폭을 갖는다.
적어도 몇몇 실시예들에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유는 경사형 굴절률 코어를 갖추고 800 nm와 900 nm 범위에 놓인 제1피크 파장(λp1) 및 950 nm와 1700 nm 범위에 놓인 제2피크 파장(λp2)에 의해 특정된 대역폭을 제공한다. 몇몇 실시예들에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유는 800 nm와 900 nm 범위에 놓인 λp1 및 950 nm와 1670 nm 범위에 놓인 λp2에 의해 특정된 대역폭을 제공한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 그러한 섬유 코어에서의 P2O5의 최대 농도는 GeO2의 최대 농도보다 크다. 몇몇 실시예들에 따르면, 그러한 다중모드 섬유는 경사형 굴절률 코어를 갖는다. 각각의 이중 도펀트인 게르마니아 및 인은 반경에 따라 변하고 2개의 알파(α) 파라미터 α1 및 α2에 의해 정의되는 농도로 다중모드 섬유의 코어에 배치된다. 즉, 그러한 게르마니아 도펀트 농도는 인 도펀트 농도를 조절함에 따른 알파 파라미터 α1 및 α2의 함수로서 반경에 따라 변한다. 여기에 개시된 이중 도펀트 농도들은 또한 광섬유의 굴절률의 전체적인 α 형태의 파장에 따른 민감성을 감소시키며, 이에 따라 제조 동안 그와 같은 섬유들의 제조 생산성의 증가를 도움으로써 폐기물 및 비용을 감소시킬 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 그러한 용어 경사형 굴절률은 전체적인 이중 알파 α1 및 α2를 갖는 굴절률의 다중모드 광섬유에 관한 것이며, 여기서 840 nm와 1100 nm간 파장 범위의 적어도 한 파장(바람직하게 850 nm)에서 1.8 ≤ α1 ≤ 2.4 및 1.9 ≤ α2 ≤ 2.4이다.
몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 적어도 0.04 ㎛, 바람직하게 적어도 0.05 ㎛, 보다 바람직하게 적어도 0.10 ㎛, 및 보다 더 바람직하게 적어도 0.15 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 0.25 ns/km 이하(약 0.75 GHz-km보다 큰)의 RMS 펄스 확장을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함하며, 그러한 윈도우는 약 0.85 ㎛가 중심이 된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 적어도 0.04 ㎛, 바람직하게 적어도 0.05 ㎛, 보다 바람직하게 적어도 0.10 ㎛, 및 보다 더 바람직하게 적어도 0.15 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 0.2 ns/km 이하(약 0.93 GHz-km보다 큰, 예컨대 0.95 GHz-km 또는 그 이상)의 RMS 펄스 확장을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함하며, 그러한 윈도우는 약 0.85 ㎛가 중심이 된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 0.2 ns/km 이하의 RMS 펄스 확장은 적어도 0.20 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 제공되고, 바람직하게 그러한 윈도우는 0.8 ㎛ 내지 0.9 ㎛ 범위(예컨대, 약 0.85 ㎛)의 파장이 중심이 된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 약 0.1 ns/km(약 2 GHz-km보다 큰) 이하의 RMS 펄스 확장은 적어도 0.20 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 제공되고, 바람직하게 그러한 윈도우는 0.8 ㎛ 내지 0.9 ㎛ 범위(예컨대, 0.85 ㎛)의 파장이 중심이 된다.
몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 적어도 0.04 ㎛, 바람직하게 적어도 0.05 ㎛, 보다 바람직하게 적어도 0.10 ㎛, 및 보다 더 바람직하게 적어도 0.15 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 0.2 ns/km 이하의 RMS 펄스 확장을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함하며, 그러한 윈도우는 약 0.85 ㎛가 중심이 된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 0.2 ns/km 이하의 RMS 펄스 확장은 적어도 0.20 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 제공되고, 바람직하게 그러한 윈도우는 0.8 ㎛ 내지 0.9 ㎛ 범위(예컨대, 약 0.85 ㎛)의 파장이 중심이 된다.
몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 적어도 0.04 ㎛, 바람직하게 적어도 0.05 ㎛, 보다 바람직하게 적어도 0.10 ㎛, 및 보다 더 바람직하게 적어도 0.15 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 2 GHz-km보다 큰 대역폭을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함하며, 그러한 윈도우는 약 0.85 ㎛가 중심이 된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 0.2 ns/km 이하의 RMS 펄스 확장은 적어도 0.20 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 제공되고, 바람직하게 그러한 윈도우는 0.8 ㎛ 내지 0.9 ㎛ 범위(예컨대, 약 0.85 ㎛)의 파장이 중심이 된다. 이들 실시예에 있어서, 코어는 바람직하게 경사형 굴절률 프로파일을 갖는다.
몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 적어도 0.04 ㎛, 바람직하게 적어도 0.05 ㎛, 보다 바람직하게 적어도 0.10 ㎛, 및 보다 더 바람직하게 적어도 0.15 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 4 GHz-km보다 큰 대역폭을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함하며, 그러한 윈도우는 약 0.85 ㎛가 중심이 된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 0.2 ns/km 이하의 RMS 펄스 확장은 적어도 0.20 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 제공되고, 바람직하게 그러한 윈도우는 0.8 ㎛ 내지 0.9 ㎛ 범위(예컨대, 약 0.85 ㎛)의 파장이 중심이 된다. 이들 실시예에 있어서, 코어는 바람직하게 경사형 굴절률 프로파일을 갖는다.
몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 0.85 ㎛에서 2 GHz-km보다 큰 대역폭, 및 0.98 ㎛에서 0.75 GHz-km보다 큰 대역폭을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 0.85 ㎛에서 2 GHz-km보다 큰 대역폭, 및 0.98 ㎛에서 1.5 GHz-km보다 큰 대역폭을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 0.85 ㎛에서 2 GHz-km보다 큰 대역폭, 및 0.98 ㎛에서 2 GHz-km보다 큰 대역폭을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 0.85 ㎛에서 2 GHz-km보다 큰 대역폭, 및 1.3 ㎛에서 0.75 GHz-km보다 큰 대역폭을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 0.85 ㎛에서 2 GHz-km보다 큰 대역폭, 및 0.98 ㎛와 1.66 ㎛간 적어도 한 파장에서 1 GHz-km보다 큰 대역폭을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 본원에 개시된 MMF는 0.85 ㎛에서 4 GHz-km보다 큰 대역폭, 및 0.98 ㎛와 1.66 ㎛간 적어도 한 파장에서 1 GHz-km보다 큰 대역폭을 제공하는 굴절률 프로파일을 포함한다. 이들 실시예에 있어서, 코어는 바람직하게 경사형 굴절률 프로파일을 갖는다.
한 세트의 실시예들에 있어서, 제1윈도우는 약 0.85 ㎛가 중심이 되고 제2윈도우는 약 1.4 ㎛ 이하의 파장이 중심이 된다. 다른 세트의 실시예들에 있어서, 제1윈도우는 약 0.85 ㎛이 중심이 되고 제2윈도우는 약 1.56 ㎛ 이하의 파장이 중심이 된다.
추가의 특징 및 장점들은 이하의 상세한 설명에 의해 기술되며, 일부는 그러한 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 자명하거나 또는 부가의 도면 뿐만 아니라 여기에 기재된 설명 및 청구항에 기술된 바와 같은 실시예들을 실시함으로써 알 수 있을 것이다.
상술한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 모두는 단지 예시이며, 청구항의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개관 또는 토대를 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.
수반의 도면들은 좀더 이해를 돕기 위해 제공되며, 본 명세서에 포함되어 명세서의 일부를 구성한다. 그러한 도면들은 하나 또는 그 이상의 실시예(들)을 기술하며, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예들의 원리 및 동작을 설명하기 위해 제공된다.
도 1은 본원에 개시된 바와 같은 광섬유의 일 실시예의 단면도를 개략적으로 나타내고;
도 2a는 경사형 굴절률 다중모드 섬유의 일 실시예의 개략 굴절률 프로파일을 나타내고;
도 2b는 경사형 굴절률 다중모드 섬유의 다른 실시예의 개략 굴절률 프로파일을 나타내고;
도 2c는 도 2a에 대응하는 일 예의 섬유에 대한 CGe and CP의 도펀트 농도 코어 정규화 반경의 플롯이고;
도 3은 코어에 게르마니아만을 갖는 비교 경사형 굴절률 다중모드 섬유의 코어에서의 Ge 도펀트 농도 프로파일을 개략적으로 나타내고;
도 4는 도 3a의 섬유에 대한 파장의 함수로서 확장하는 제곱 평균(RMS; root mean square) 펄스 확장(pulse broadening)을 나타내고;
도 5는 게르마늄 및 인 공동-도핑 섬유의 몇몇 예시의 실시예에 대한 파장의 함수로서 제곱 평균(RMS) 펄스 확장을 나타내고;
도 6은 게르마늄 및 인 공동-도핑 섬유의 몇몇 실시예에 대한 제2윈도우 중심 파장(second window center wavelength)의 변경을 나타내며;
도 7은 게르마늄 및 인 공동-도핑 섬유의 몇몇 예시의 실시예에 대한 섬유 코어에서의 인 도핑 레벨에 대한 1310 nm에서의 ns/km의 제곱 평균 (RMS) 펄스 확장을 나타낸다.
본 발명의 추가의 특징 및 장점들은 이하의 상세한 설명에 기술되며, 그러한 설명으로부터 통상의 기술자에 있어 명백해지거나 또는 청구항 및 부가의 도면들과 함께 이하의 설명에 기술된 바와 같은 발명을 실시함으로써 알 수 있을 것이다.
"굴절률 프로파일"은 굴절률 또는 상대 굴절률과 도파관 섬유 반경간 관계이다.
그러한 "상대 굴절률 퍼센트"는 Δ% = 100 × (ni 2 -nc 2)/2ni 2로서 정의되고, 여기서 ni는 달리 특정하지 않는 한 영역 i에서의 최대 굴절률이고, nc는 순수 실리카의 굴절률이다. 본원에 사용된 바와 같이, 상기 상대 굴절률은 Δ(및 δ)로 표시되며, 이는 달리 특정하지 않는 한 "%"의 단위로 주어진다. "업도펀트(updopant)"는 본원에서 순수한 비도핑 SiO2에 대한 굴절률을 상승시키는 성질을 갖는 도펀트인 것으로 고려한다. "다운도펀트(downdopant)"는 본원에서 순수한 비도핑 SiO2에 대한 굴절률을 낮추는 성질을 갖는 도펀트인 것으로 고려한다.
업도펀트가 아닌 하나 또는 그 이상의 다른 도펀트들은 양의 상대 굴절률을 갖는 광섬유의 영역에 제공될 것이다. 다운도펀트는 다운도펀트가 아닌 하나 또는 그 이상의 도펀트들이 수반될 때 양의 상대 굴절률을 갖는 광섬유의 영역에 제공될 것이다. 용어 게르마니아, Ge 및 GeO2는 본원에서 상호교환 가능하게 사용되며 GeO2와 관련된다. 용어 인, P 및 P2O5는 본원에서 상호교환 가능하게 사용되며 P2O5와 관련된다.
광 코어 직경은 "Measurement Methods and Test Procedures--Fiber Geometry"로 명칭된 IEC 60793-1-20에 개시된 기술을 이용하여, 특히 "Method C: Near-field Light Distribution."로 명칭된 그 부록 C에 기술된 참조 테스트 방법을 이용하여 측정된다. 이러한 방법을 이용한 결과로부터 광 코어 반경을 산출하기 위해, 10-80 피트(fit)가 광 코어 직경을 얻도록 섹션 C.4.2.2마다 적용되며, 이후 상기 광 코어 직경은 광 코어 반경을 얻기 위해 분할된다. 용어 ㎛ 및 μ는 μ의 거리와 관련되며 본원에서는 상호교환 가능하게 사용된다.
본원에서 사용된 바와 같이, 측정된 바와 같은 섬유 수단 개구수의 개구수(NA)는 "Measurement Methods and Test Procedures-numerical aperture"로 명칭된 TIA SP3-2839-URV2 FOTP-177 IEC-60793-1-43에 개시된 방법을 이용하여 측정된다.
매크로밴드 성능(Macrobend performance)은 10 mm 직경 맨드렐(mandrel)을 1회전시켜 랩핑(wrapping)하고 원형 플럭스(EF; encircled flux) 발진 조건(launch condition; 이는 또한 제한된 발진 조건이라고도 함)을 이용하여 밴딩으로 인한 감쇠의 증가를 측정함으로써 FOTP-62(JEC-60793-1-47)에 의해 결정한다. 그러한 원형 플럭스는 중간지점 근처의 25 mm 맨드렐 상에 1 랩(wrap)으로 배치된 2 m 길이의 InfiniCor® 50 μ 코어 광섬유의 입력단에 오버필 펄스(overfilled pulse)를 발진시킴으로써 측정한다. 상기 InfiniCor® 50 μ 코어 광섬유의 출력단은 테스트 중의 광섬유에 스플라이스(splice)되며, 그러한 측정된 밴드 손실은 밴드 없는 감쇠에 대한 규정된 밴드 조건하의 감쇠의 차이이다. 그러한 오버필 대역폭(overfilled bandwidth)은 오버필 발진(overfilled launch)을 이용하여 FOTP-204에 따라 측정한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본원에 개시된 실시예들의 광섬유(10)는 실리카계 코어(20) 및 이 코어를 둘러싸 직접 이 코어에 인접한(즉, 접촉한) 실리카계 클래딩층(또는 클래딩)을 포함한다. 바람직하게, 상기 섬유는 0.185와 0.25간(예컨대, 또는 0.195와 0.25간, 또는 0.185와 0.215간 또는 0.195와 0.225간, 또는 2와 2.1간) 개구수 NA를 갖는다. 바람직하게, 그러한 섬유 대역폭은 900 nm와 1300 nm 내 파장 중심의 2 GHz-Km 이상이다.
상기 코어(20)는 r = 0의 중심선에서 최외부 코어 반경 R1으로 확장한다. 상기 클래딩(200)은 상기 반경 R1에서 최외부 코어 반경 Rmax로 확장한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 광섬유(10)의 클래딩(200)은 상기 코어를 둘러싸고 상기 실리카계의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카계 영역(50)을 포함한다. 그러한 실리카계 클래딩 영역(50)은 예컨대 F 및 선택적으로 GeO2를 포함할 것이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 이러한 실리카계 클래딩 영역(50)은 임의 또는 비주기적으로 분포된 보이드(void; 예컨대 가스로 채워진)들을 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 실리카계 영역(50)은 전체 클래딩(200)에 걸쳐 확장한다. 다른 실시예들에 있어서, 외부 클래딩층(60)은 클래딩 영역(50)을 둘러싼다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 광섬유(10)의 클래딩(200)은 상기 코어를 둘러싸고 외부 클래딩층(60)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카계 영역(50)을 포함한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 선택의 실리카계 내부 클래딩층(30)은 상기 코어(20)와 다운-도핑 영역(50; down-doped region) 사이에 위치한다. 이들 실시예에 있어서, 상기 클래딩(200)은 상대 굴절률 프로파일 ΔCLAD(r)를 갖는다. 상기 광섬유(10)의 예시의 개략적 상대 굴절률 프로파일이 도 2a에 나타나 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 다운-도핑 영역(50)은 폭 W2 = R2-R1에 의해 상기 코어(20)로부터 오프셋(offset)되며, 이에 따라 상기 영역은 r = R2에서 시작하고 폭 W4 = R4-R3 및 폭 W5 = R4-R2를 갖는 r = R4에서 끝난다(예컨대 도 2a 참조). 다른 실시예들에 있어서, 상기 다운-도핑 영역(50)은 상기 코어(20)에 바로 접하며, 상기 영역이 r = R1에서 시작하고 폭 W4 = R4-R3 및 폭 W5 = R4-R2를 갖는 r = R4에서 끝나도록 직사각형 또는 사다리꼴 단면을 가질 수 있다(예컨대 R1 = R2인 도 2b 참조). 상기 클래딩(200)은 R4에서 최외부 클래딩 반경 Rmax로 확장한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 클래딩(200)은 게르마늄-인 공동-도핑 실리카(예컨대, 층 30 및/또는 60에 있어서)를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 클래딩(200)은 예컨대 층(50)에서 플루오르(fluorine) 도핑 실리카를 포함한다. 예컨대, 몇몇 실시예들에 있어서, 그러한 실리카계 영역(50; 본원에서 모트(moat)라고도 부르는)은 실리카 클래딩(예컨대, 순수 실리카 클래딩층 60), 또는 실리카 비도핑 영역(60)에 의해 둘러싸인다. 이는 예컨대 도 2a 및 2b에 나타나 있다. 상기 코어(20) 및 클래딩(200)은 상기 광섬유(10)의 유리부를 형성한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 클래딩(200)은 예컨대 아크릴레이트 폴리머의 하나 또는 그 이상의 코팅(210)으로 코팅된다.
2개의 공동-도펀트로 도핑된 실라카 도핑 코어를 갖는 그러한 섬유 실시예들에 있어서, 그러한 굴절률 프로파일은 이하의 식(식 1)으로 기술될 수 있다.
Figure pct00001
(식 1)
여기서 Δ1 및 Δ2는 각각 도펀트 1 및 2에 따른 상대(순수 실리카에 대한) 굴절률 변화이다. 최적화된 프로파일의 경우, Δ1 및 Δ2는 이하의 조건들(식 2)을 만족한다:
Figure pct00002
(식 2)
여기서 Δ = Δ1 + Δ2이고, n0는 중심(R = 0)에서의 굴절률이며, m0는 n0에서의 재료 분산이다.
이하와 같이 식 3 및 식 4의 상대 굴절률 변화를 기술하기 위해 2개의 파라미터 x1 및 x2를 도입한다.
Figure pct00003
(식 3)
Figure pct00004
(식 4)
여기서
Figure pct00005
(식 5)
Figure pct00006
(식 6)
Figure pct00007
(식 7)
Figure pct00008
(식 8)
여기서 na1 및 nb1은 각각 도펀트 1 및 2(즉, GeO2 및 P2O5)에 대응하는 섬유 코어의 중심에서의 굴절률들이고, na2 및 nb2는 각각 도펀트 1 및 2에 대응하는 섬유 코어의 에지에서의 굴절률들이며, ns는 이하의 식 9에 나타낸 바와 같은 순수 실리카의 굴절률이다.
Figure pct00009
(식 9)
상기한 정의를 이용하여, 도펀트 농도 프로파일들이 이하의 식 10 및 식 11에 나타낸 바와 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00010
(식 10)
Figure pct00011
(식 11)
여기서 Ca1 및 Cb1은 각각 도펀트 1 및 2에 대응하는 섬유 코어의 중심에서의 도펀트 농도들이고, Ca2 및 Cb2는 각각 도펀트 1 및 2에 대응하는 섬유 코어의 에지에서의 도펀트 농도들이며, x1 및 x2는 도펀트 농도 방사상 프로파일 상의 이중 도펀트의 제공을 나타내는 가중 요소들인 제1 및 제2도펀트(예컨대, GeO2 및 P2O5)에 대한 파라미터들이다. 2개의 도펀트들의 농도가 항상 양이도록 파라미터 x1 및 x2의 값이 선택된다. 도펀트 농도는 mole %(몰 %)의 단위로 표현되거나 weight %(중량 %)로 전환될 수 있다.
특히, 게르마늄-인 공동-도핑 코어의 섬유 실시예들에 있어서, 게르마니아는 게르마니아 도펀트 농도 프로파일 CGe(r)(즉, Ca(r) = CGe(r))를 갖는 경사형 굴절률 다중모드 광섬유(10)의 코어(20)에 배치된다. 상기 코어(20)는 0 또는 0보다 큰 중심선에서의 중심 게르마니아 농도 Ca1 =CGe1, 및 R1에서의 최외부 게르마니아 농도 CG2를 가지며, CGe2 는 0 또는 0보다 크다. 인(P)은 도펀트 농도 프로파일 Cp(r)(즉, Cb(r) = Cp(r))을 갖는 경사형 굴절률 다중모드 광섬유(10)의 코어(20)에 배치된다. 상기 경사형 굴절률 코어(20)는 0 또는 0보다 큰 중심선에서의 중심 인 농도 Cb1=CP1, 및 R1에서의 최외부 인 농도 CP2를 가지며, CP2는 상기 코어 내의 인 농도의 프로파일 Cp(r)에 따라 0 또는 0보다 크다. 일 예의 Ge 및 P 도펀트 농도의 섬유 프로파일 CGe(r) 및 CP(r)이 도 2c에 나타나 있다.
따라서, 상기 게르마니아 도펀트 농도 프로파일 CGe(r)가 이하의 식 12로 정의된다:
Figure pct00012
(식 12)
따라서, 상기 인 도펀트 농도 프로파일 CP(r)이 이하의 식 13으로 정의된다:
Figure pct00013
(식 13)
각각의 이중 도펀트인 게르마니아 및 인은 반경에 따라 변하고 2개의 알파(α) 파라미터에 의해 정의되는 농도로 다중모드 섬유의 코어에 배치되며, 광섬유(10)의 α1 및 α2는 각각 약 2이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 1.90≤α1≤2.25 및 1.90≤α2≤2.25이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 1.90≤α1≤2.10 및 1.90≤α2≤2.10이다.
nGe1 및 nP1이 각각 도펀트 1 및 2(이들 실시예에서 Ge 및 P)에 대응하는 섬유 코어의 중심에서의 굴절률이고, nGe2 및 nP2이 각각 도펀트 1 및 2(Ge 및 P)에 대응하는 섬유 코어의 에지에서의 굴절률이고, nS가 순수 실리카의 굴절률이고, n0 2 = nG1 2 + nP1 2 - nS 2이면, 이하의 파라미터들이 정의될 수 있다: δGel = nGel 2-ns 2, δGe2 = nGe2 2-ns 2, δP1 = nP1 2-ns 2, δP2 = nP2 2-ns 2이고, 식 14 및 식 15에 나타낸 바와 같고:
Figure pct00014
(식 14)
및
Figure pct00015
(식 15)
Ge 및 P로 공동 도핑된 광섬유에 대한 굴절률 프로파일은 이하의 식 16에 나타나 있다:
Figure pct00016
(식 16)
도펀트 프로파일 파라미터 x1(Ge에 대한) 및 x2 (P에 대한)는 각각 -10과 +10 사이가 바람직하다. -3＜x1＜3 및 -3＜x2＜3가 보다 바람직하다. 몇몇 실시예들에 있어서, -1＜x1＜1 및 -1＜x2＜1, 예컨대, 0.1＜x1＜1 및 0.1＜x2＜1, 또는 0.3＜x1＜0.7 및 0.3＜x2＜0.7이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 0.4＜x1＜0.6 및 0.4＜x2＜0.6이다. 몇몇 실시예들에서 x1=x2이고, 몇몇 실시예들에서 x1은 x2와 같지 않다. 파라미터 x1 및 x2에 대한 값들은 Ge02 및 P2O5 도펀트 농도가 항상 양이도록 선택한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 인은 R1에 제공되고 게르마니아는 제공되지 않는데, 즉 CP2는 0보다 크고 CG2는 0과 같다. 이러한 실시예들에 있어서, 클래딩(200)은 r = R1에서의 코어의 굴절률과 매칭되도록 플루오르를 포함한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 게르마니아 및 인 모두가 R1에 제공되는데, 즉 CP2는 0보다 크고 CG2는 0보다 크다. 이러한 실시예들에 있어서, 클래딩(200)은 r = R1의 굴절률과 매칭되도록 플루오르를 포함하거나, 또는 상기 클래딩(200)은 R1에서의 플루오르로 인한 굴절률 감소를 상쇄시키기 위해 R1에서 충분한 굴절률 증가의 게르마니아를 갖는 실시예들에서 플루오르 및 Ge를 포함할 수 있다.
바람직하게, CGe(r)은 r = 0에서 r = R1까지 반경을 증가시킴에 따라 감소하고, CP(r) 또한 r = 0에서 r = R1까지 반경을 증가시킴에 따라 감소한다. 보다 바람직하게, CGe(r)은 r = 0에서 r = R1까지 반경을 증가시킴에 따라 단조롭게 감소하고, CP(r) 또한 r = 0에서 r = R1까지 반경을 증가시킴에 따라 단조롭게 감소한다. 보다 더 바람직하게, CGe(r)은 r = 0에서 r = R1까지 반경을 증가시킴에 따라 감소하고, CP1은 비제로(nonzero)이며, CP(r) 또한 r = 0에서 r = R1까지 반경을 증가시킴에 따라 감소하고, CP1 은 비제로이다. 보다 더 좀더 바람직하게, CGe(r)은 r = 0에서 r = R1까지 반경을 증가시킴에 따라 단조롭게 감소하고, CGe1은 비제로이며, CP(r)은 r = 0에서 r = R1까지 반경을 증가시킴에 따라 단조롭게 감소하고, CGe2 및 CP2 =0 중 적어도 하나이다. 몇몇 실시예들에서, CGe2 및 CP2는 제로(zero)이다.
어느 한 그룹의 실시예들에 있어서, 코어(20) 어디에서든 게르마니아 농도는 단지 12 mole % 게르마니아일 뿐이며, 바람직하게 기껏해야 11 mole %(즉, CG(r) ≤ 11 mole %)이며, 보다 바람직하게 기껏해야 10 mole %이다. 예컨대, 0.5 mole % ＜ CGeMAX ≤ 11 mole %, 또는 1 mole % ＜ CGeMAX ≤ 10 mole %이다. 이러한 실시예들에 있어서, 코어 어디에서든 P2O5 농도(r = 0에서 r = R1까지의 모든 값에 대한)는 0 내지 12 mole %이며 P2O5의 최대 농도는 0.5 mole %보다 크다. 바람직하게, P2O5의 최대 농도는 10 mole % 이하이다. 바람직하게, 1 mole % ＜ CGeMAX ≤ 11 mole %(예컨대, 1 mole % ＜ CGeMAX ≤ 10 mole %) 및 1 mole % ＜ CPMAX ≤ 8 mole %이고, 그리고/또 1 mole % ＜ CPMAX ≤ 10 mole %이다. 바람직하게, 5 mole % ＜ (CGeMAX + CPMAX) ≤ 19 mole %이고, 보다 바람직하게 5 mole % ＜ (CGeMAX +CPMAX)≤ 15 mole %이다. 예컨대, x1=x2=0.5일 때, 8 mole % ＜ (CGeMAX +CPMAX)≤ 10 mole %이다. 이들 파라미터는 높은 대역폭(예컨대, 850 nm에서 ＞ 2 GHz-Km 및 980 및/또는 1060 nm에서 ＞ 1 GHz-Km)을 갖는 광섬유를 가능하게 하고, VCSEL 기술 및 FOTP 표준(예컨대, 1.185≤NA≤0.215)에 호환가능한 NA를 갖는다.
몇몇 실시예들에 따르면, 코어 어디에서든 최대 P2O5 농도(r = 0에서 r = R1까지의 r의 모든 값들에 대한)는 10 내지 1 mole %이고, 몇몇 실시예들에서, 바람직하게 9 내지 0 mole %이며, 최대 P2O5 농도는 0.5에서 9 mole %로, 예컨대 3에서 9 mole %로, 또는 5에서 9 mole %로 변하거나, 또는 6.5와 8 mole %간 변한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 코어(20)에서의 mole %의 게르마니아 농도는 10과 0 mole %간(r = 0에서 r = R1까지의 r의 모든 값들에 대한) 변하고, 다른 실시예들에서는 6과 0 mole %간 변하며, 그러한 최대 게르마니아 농도는 0.5와 10 mole % 사이이며, 또 다른 실시예들에서는 1과 9 mole % 사이이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 코어(20)에서의 mole %의 P2O5 농도는 9와 0간 변하고, 다른 실시예들에서는 8과 1 mole %간 변하며, 다른 실시예들에서는 10과 0.5 mole %간 변한다.
특히, 코어(20)는 경사형 굴절률 프로파일을 제공하기에 충분한 게르마니아 및 인으로 공동-도핑되는 실리카를 포함한다. 각각의 이중 도펀트인 게르마니아 및 인은 반경에 따라 변하고 2개의 알파(α) 파라미터 α1 및 α2에 의해 정의되는 농도로 다중모드 섬유의 코어에 배치된다. 즉, 그러한 게르마니아 도펀트 농도는 인 도펀트 농도를 조절함에 따른 알파 파라미터 α1 및 α2의 함수로서 반경에 따라 변한다. 여기에 개시된 이중 도펀트 농도들은 또한 광섬유의 굴절률의 전체적인 α 형태의 파장에 따른 민감성을 감소시키며, 이에 따라 제조 동안 그와 같은 섬유들의 제조 생산성의 증가를 도움으로써 폐기물 및 비용을 감소시킬 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 그러한 용어 경사형 굴절률은 전체적으로 약 2의 α를 갖는 굴절률의 다중모드 광섬유에 관한 것이다.
몇몇 예시의 실시예들에 있어서, 그러한 경사형 굴절률 다중모드 섬유(10)는: (i) GeO2 및 최대 농도 약 1 내지 10 mole %의 P2O5로 공동 도핑되고, 약 200 내지 2000 ppm by wt.의 Cl을 포함하고, 1 mole % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 갖고, 이중 알파 α1 및 α2[여기서, 840과 1100 nm간 파장 범위에 놓인 적어도 한 파장(바람직하게는 850 nm)에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4]를 갖는 실리카계 코어(20); 및 (ii) 상기 코어(20)를 둘러싸고, F 및 선택적으로 GeO2를 포함하며, 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 영역(예컨대, 50)을 갖춘 실리카계 클래딩(200)을 포함한다. 적어도 이러한 섬유(10)의 몇몇 실시예들에서는 0.185와 0.215 사이의 개구수를 갖는다.
몇몇 실시예들에 따르면, 섬유(10)의 대역폭(BW; bandwidth)은 750 MHz-Km보다 크고, 바람직하게 2 GHz-Km보다 크고, 좀더 바람직하게 4 GHz-Km보다 크며, 몇몇 실시예들에서는 약 850 nm에서 7 GHz-Km보다 크다. 몇몇 실시예들에 따르면, 섬유(10)의 대역폭은 1500 MHz-Km보다 크고, 바람직하게 2 GHz-Km보다 크고, 좀더 바람직하게 4 GHz-Km보다 크며, 몇몇 실시예들에서는 약 980 nm 및/또는 1060 nm에서 7 GHz-Km보다 크다. 몇몇 실시예들에 따르면, 섬유(10)의 대역폭은 1500 MHz-Km보다 크고, 약 1300 nm에서 바람직하게 2 GHz-Km보다 크다. 몇몇 실시예들에서, 섬유(10)의 대역폭(BW)은 750 MHz-Km보다 크고, 바람직하게 2 GHz-Km보다 크고, 좀더 바람직하게 4 GHz-Km보다 크며, 몇몇 실시예들에서는 약 850 nm에서 7 GHz-Km보다 크다. 그러한 대역폭(BW)은 1500 MHz-Km보다 크며, 바람직하게 980 nm에서 2 GHz-Km보다 크다. 몇몇 실시예들에 있어서, 섬유(10)의 대역폭(BW)은 750 MHz-Km보다 크고, 바람직하게 2 GHz-Km보다 크고, 좀더 바람직하게 4 GHz-Km보다 크며, 몇몇 실시예들에서는 약 850 nm에서 7 GHz-Km보다 크다. 그러한 대역폭(BW)은 1500 MHz-Km보다 크고, 바람직하게 1060 nm에서 2 GHz-Km보다 크다.
바람직하게 광섬유(10)는 λ=850 nm에서 제한된 발진 밴드 손실(매크로밴드 손실)을 가지며 그 밴드 손실은 10 mm 직경 맨드렐 상에서 1.5 dB/turn 이하이며, 몇몇 실시예들에 따르면 λ=850 nm에서 그러한 밴드 손실은 10 mm 직경 맨드렐 상에서 0.25 dB/turn 이하이다.
몇몇 실시예들에 있어서, 저굴절률 클래딩 영역(50)은 F 및 Ge를 포함하며, 여기서 모트 영역(moat region)에서의 볼륨 평균 Ge 농도는 적어도 0.5 wt %이다. 바람직하게, 코어(20)는 상기 클래딩 영역(50)으로부터 적어도 0.5 ㎛로 분리된다. 선택적으로, 이러한 클래딩 영역은 임의 또는 비주기적으로 분포된 보이드(예컨대 가스로 채워진)를 포함한다. 바람직하게, 클래딩 영역(50; 모트)의 볼륨(V)은 30 ㎛2-%보다 크고, 바람직하게 100 ㎛2-%보다 크고 300 ㎛2-%보다 작다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유(10)는: (i) GeO2(바람직하게 코어에서의 최대 GeO2가 0.5 내지 9 mole %이고, 좀더 바람직하게 4-9 mole %이다) 및 최대 약 0.5 내지 11 mole %의 P2O5로 공동 도핑되고, 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 포함하며, 이중 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 범위에 놓인 파장의 적어도 한 파장(바람직하게 850 nm)에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4)를 가짐과 더불어 코어 직경 및 물리적 코어 직경인 DC=2R1(여기서, 45 ㎛ ≤ Dc ≤ 55 ㎛(그리고 몇몇 실시예들에서는 47 ≤ Dc ≤ 53 ㎛))을 갖는 실리카계 코어(20); 및 (ii) 상기 코어(20)를 둘러싸고 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하는 실리카계 영역(200; 클래딩)을 포함한다.
실리카계 클래딩 영역(50; 클래딩층)은 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다. 상기 섬유(10)는 0.185와 0.215간 개구수, 2 GHz-Km보다 큰 대역폭, 및 800 nm와 900 nm 범위에 놓인 적어도 하나의 피크 파장(λp)을 갖는다. 몇몇 실시예들에 따르면, 다중모드 섬유는 800 nm와 900 nm간 범위에 놓인 λp1 및 950 내지 1080의 범위에 놓인 λp2에 의해 특정된 대역폭을 제공한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 경사형 굴절률 다중모드 섬유는: (a) GeO2 및 약 1 내지 9 wt. %의 P2O5로 공동 도핑되고, 약 200 내지 2000 ppm by wt.의 Cl 및 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 포함하며, 840 nm와 1100 nm간 파장 범위에서 1.95와 2.25간(예컨대 2와 2.25간, 또는 2.05와 2.2간)의 알파(α)를 갖는 실리카계 코어 영역(20); 및 (ii) 상기 코어 영역을 둘러싸고 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하며, 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카계 영역(50)을 포함하며, 상기 섬유는 0.185와 0.25간의 개구수를 갖는다.
바람직하게, 상기 경사형 굴절률 다중모드 섬유(10)는 40 ㎛2-%보다 크고 300 ㎛2-%보다 작은 모트 볼륨(즉, 저굴절률 영역 50의 볼륨 V), 및 10 mm 직경 맨드렐 상에서 0.3 dB/turn 이하의 850 nm에서의 매크로밴드 손실을 갖는다. 몇몇 실시예들에 따르면, 상기 모트 볼륨(V)은 100 ㎛2-%보다 크고 300 ㎛2-%보다 작으며, 상기 섬유는 10 mm 직경 맨드렐 상에서 0.25 dB/turn 이하의 λ=850 nm에서의 매크로밴드 손실을 나타낸다. 바람직하게, 상기 섬유(10)는 (i) 1-10 mole %(max) GeO2 및 약 1 내지 8 mole %(max) P2O5로 공동 도핑되고, 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 포함하고, 이중 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 파장 범위의 적어도 한 파장(바람직하게 850 nm)에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4) 및 물리적 코어 직경 Dc(여기서 45 ≤ Dc ≤ 55μ)를 갖는 실리카계 코어 영역을 갖추며, 상기 섬유는 0.185와 0.215간의 개구수, 2 GHz-Km보다 큰 대역폭, 및 800 nm와 900 nm 범위에 놓인 적어도 하나의 피크 파장(λp)을 갖는다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 광섬유(10)는 800 nm와 900 nm 범위에 놓인 제1피크 파장(λp1) 및 950 nm와 1600 nm 범위에 놓인 제2피크 파장(λp2)에 의해 특정된 대역폭을 제공하도록 구성된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 섬유 코어(20)는 약 200 내지 2000 ppm by wt.의 Cl을 더 포함한다. 바람직하게, 상기 섬유 코어는 X mole %(max)의 GeO2 및 Y mole %(max)의 P2O5(그리고 X ＞ Y)를 갖는다. 몇몇 실시예들에 있어서, 1 ≤ X/Y ≤8이다. 몇몇 실시예들에 있어서, GeO2 및 P2O5의 최대 농도는 코어(20)의 중심에 있거나, 또는 중심라인 딥(centerline dip)을 갖는 코어 프로파일의 섬유의 경우 그 중심라인 딥에 바로 인접하여 둘러싸는 코어 영역에 있다. 바람직하게, 코어(20)는 GeO2 및 약 1 내지 11(바람직하게는 1 내지 9) mol %(max) P2O5를 포함하고, 이에 따라 GeO2 및 P2O5의 합은 19 mole %보다 크지 않으며, 그 대역폭은 약 850 nm에서 ＞ 750 MHz-Km이다. 바람직하게, 섬유가 10 mm의 직경에서 구부러질 때 측정할 경우 λ=850에서의 제한된 발진 밴드 손실은 0.25 dB/turn 이하이다.
몇몇 실시예들에 따르면, 상기 다중모드 섬유는: (i) GeO2 및 약 0.5 내지 10 mole %(바람직하게 1 내지 8 mole %) P2O5로 공동 도핑되고, 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 포함하고, 이중 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 파장 범위의 적어도 한 파장(바람직하게 850 nm)에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4) 및 물리적 코어 직경 Dc(여기서 Dc = 2R1이고 25 ≤ Dc ≤ 55μ, 몇몇 실시예들에서는 25 ≤ Dc ≤ 45μ)를 갖는 실리카계 코어; 및 ( ii ) (a) 상기 코어를 둘러싸고 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하며, (b) 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카계 클래딩 영역을 포함한다. 상기 섬유(10)는 0.185와 0.215간의 개구수, 800 nm와 900 nm 범위에 놓인 적어도 한 파장에서 2 GHz-Km보다 큰 대역폭을 갖는다.
본원에 나타낸 모든 예들은 모델화했다.
비교예들
도 3은 0.85 ㎛에서의 동작을 위해 의도된 경사형 굴절률 프로파일의 비교 다중모드 섬유의 코어에서의 게르마니아 도펀트 농도 프로파일을 개략적으로 나타낸다. 이러한 섬유의 코어는 Ge만으로 도핑되는데, 즉 인 또는 플루오르를 포함하지 않는다. 도 4는 도 3의 섬유에 대한 파장의 함수로서 제곱 평균(RMS) 펄스 확장을 나타낸다. 그러한 펄스 폭은 0.85 ㎛의 파장에서 최소에 이른다. 0.85 ㎛에서 먼 파장들에 있어서, 그러한 펄스 폭은 매우 빠르게 증가하는데, 즉 대역폭이 감소한다. RMS 펄스 확장은 약 0.84 ㎛와 약 0.86 ㎛간 모든 파장에서, 즉 약 0.02 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐, 그리고 0.85 ㎛가 중심인 0.02 ㎛의 파장 윈도우 폭에 걸쳐 0.02 ns/km 이하이다. 980 nm에서의 RMS 펄스 확장에 대한 850 nm에서의 RMS 펄스 확장의 비율은 약 0.16이고, 1300 nm에서의 RMS 펄스 확장에 대한 850 nm에서의 RMS 펄스 확장의 비율은 약 0.06이다. 따라서, 그러한 펄스 확장이 어느 한 파장(예컨대, 850 nm)에서 크게 낮아지나 동작시 빠르게 상승하며, 동일 광섬유가 각기 다른 파장(예컨대, 980 또는 1300 nm와 같은 좀더 긴 파장)에서 사용된다. 여기에 기술한 바와 같이, RMS 펄스 확장은 다중모드 섬유에서의 RMS 시간 지연의 결과이다.
표 1A, 2A, 3A 및 4A는 2개의 비교예 섬유들의 파라미터를 나타낸다. 그러한 2개의 비교예들은 유사한 코어들을 갖지만, 비교예 1 섬유는 다운 도핑 영역을 포함하지 않는(즉, 모트가 없는) 클래딩을 가지며, 비교예 2 섬유는 다운 도핑 영역을 포함하는(즉, 모트를 갖는) 클래딩을 갖는다. 섬유의 이러한 비교예들의 코어는 게르마니아를 포함하나, 인은 포함하지 않는다.
[표 1A]
Figure pct00017
[표 2A]
Figure pct00018
표 2A 및 3A에 나타낸 바와 같이, 비교예 1 섬유의 모트 값은 제로(모트가 존재하지 않음)이고, 반면 비교예 2 섬유의 모트 값은 80 %-㎛2이다.
단일의 동작 윈도우를 나타내는 양 비교예의 섬유들은 피크 파장의 근처가 중심이며, 여기서 제1예 및 그 비교예 각각에 대한 λp는 849 nm 및 850 nm이다. 이하의 표 4A는 그러한 2개의 비교예 섬유들 각각에 대한 여러 파장에서의 RMS 펄스 확장 및 대역폭(BW)을 제공한다.
[표 3A]
Figure pct00019
[표 4A]
Figure pct00020
예시의 실시예들
도 2c는 여기에 개시된 다중모드 광섬유 예시의 섬유들에 대해 각각 "GeO2" 및 "P"로 나타낸 코어부(정규화 반경) 게르마니아 및 인 도펀트 농도 프로파일을 개략적으로 나타낸다. 이러한 예시의 실시예에 있어서, α1 = α2 = 2.038, CGe1 = 5.9 mole % 게르마니아, CP1 = 3.31 mole % 인, CGe2 = 0, CP2 = 0, x1 = 0.5, x2 = 0.5, 및 R1 = 25 ㎛ (표 1B, 3B의 예 16 참조).
도 5는 코어에 게르마니아는 있으나 P는 없는 비교 섬유의 RMS 펄스 확장(최내부 "v"형의 커브) 뿐만 아니라 여러 파장(표 1B 및 3B의 섬유 예들 12-20 참조)에서의 도 2a의 것과 유사한 다수의 Ge-P 섬유들의 RMS 펄스 폭을 개략적으로 나타낸다. 이러한 도면에 나타낸 바와 같이, 상기 RMS 펄스 확장은 비교예 섬유의 것과 비교하여, 0.8 nm 내지 1.2 nm 동작 윈도우 내에서 모든 게르마늄-인 공동-도핑 섬유들에 있어 상당해 향상되었다. 또한, 이러한 도면은 코어(20)의 중심에서 Ge 농도에 비해 큰 양의 P 농도를 나타내며, 그러한 섬유들은 또한 코어의 에지에서 또는 그 근처에서 인의 양(CP2)이 증가함에 따라 보다 짧은 중심 파장 쪽으로 변이하는 제2동작 윈도우를 갖는다. 예컨대, CGe1=1.18 mole % 및 CP1=7.72 mole %(표 1B, 2B, 3B 및 4B의 섬유 예 20)일 때, 제2동작 윈도우의 중심 파장은 1.22 ㎛이고, 반면 CGe1=2.36 mole % 및 CP1=6.62 mole %일 때, 상기 제2동작 윈도우의 중심 파장은 1.41 ㎛이다.
CGe1=1.18 mole % 및 CP1= 7.72 mole %일 때, RMS 펄스 확장은 약 0.75 ㎛와 약 1.3 ㎛간 모든 파장에 대해, 즉 약 0.55 ㎛의 파장 윈도우 폭에 대해, 그리고 약 1.05 ㎛가 중심인 파장 윈도우에 대해 0.02 ns/km 이하이다. 이러한 공동-도핑 섬유 실시예의 대역폭은 약 13.2 GHz-Km이고 850 nm에서의 Ge만 도핑된 섬유(비교 섬유 1)에 맞먹으나, 이러한 실시예의 게르마늄-인 공동-도핑 섬유의 대역폭(BW)은 각각 약 2.1 및 0.8 GHz-Km의 BW를 갖는 Ge만 도핑된 섬유에 각각 비교된 980 및 1300 nm의 파장에서의 약 10.5 및 10.6 GHz-Km이다. 이는 비교예 섬유들의 섬유의 대역폭 만큼 큰 약 5-12배의 보다 큰 파장 범위를 가질 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 공동-도핑 섬유의 각각 980 및 1300 nm에서의 BW에 대한 850 nm에서의 BW의 비율은 각각 1.7 및 1.4이다. Ge만 도핑된 섬유의 비교예에 있어 각각 980 및 1300 nm에서의 BW에 대한 850 nm에서의 BW의 비율은 각각 6.4 및 15.7이다. 따라서, 그러한 게르마늄-인 공동-도핑 섬유(10)들이 Ge만 도핑된 코어의 비교 섬유들보다 넓은 BW 윈도우를 갖는다는 것을 보여준다.
CGe1=2.36 mole % 및 CP1=7.72 mole %(표 1B, 2B, 3B 및 4B의 섬유 예 19)일 때, RMS 펄스 확장은 약 0.75 ㎛와 약 1.65 ㎛간 모든 파장에 대해, 즉 0.90 ㎛의 파장 윈도우 폭에 대해 0.03 ns/km 이하이나, 비교예의 경우 0.03 ns/km 이하의 RMS 펄스 파장은 약 0.82 ㎛와 약 0.88 ㎛간 파장 윈도우(약 0.06 또는 0.07 ㎛의 윈도우 폭)에만 대응한다. 이러한 예시의 실시예에 있어서, RMS 펄스 확장은 약 0.75 ㎛와 약 0.95 ㎛간 모든 파장에 대해, 즉 0.85 ㎛가 중심인 약 0.2 ㎛의 파장 윈도우 폭에 대해 0.02 ns/km 이하이다. 또한, 그러한 RMS 펄스 확장은 약 1.3 ㎛와 약 0.5 ㎛간 모든 파장에 대해, 즉 약 0.2 ㎛의 제2파장 윈도우 폭에 대해 0.02 ns/km 이하이다. 따라서, 이러한 실시예의 광섬유는 비교 섬유의 것보다 각각 더 넓은 2개의 다른 동작 윈도우에서 동작할 수 있다. 이러한 공동-도핑 섬유 실시예의 대역폭은 각각 850, 980 및 1300 nm에서 약 13.2, 7.9 및 9.3 GHz-Km이다. Ge만 도핑된 섬유 비교예에 대한 대역폭은 각각 850 nm, 980 nm 및 1300 nm의 파장에서 약 13.2, 2.1 및 0.8 GHz-Km이다. 따라서, 그러한 공동-도핑 섬유들은 그러한 비교예의 섬유의 대역폭만큼 약 4-11배의 보다 큰 파장 범위를 가질 수 있다.
도 6은 게르마늄 및 인 공동-도핑 섬유에 있어, mole %의 최대 P 도핑 레벨(이들 실시예에서 CP1에 대응)에 대한 제2윈도우 중심 파장의 변경을 나타낸다.
도 7은 게르마늄 및 인 공동-도핑 섬유의 몇몇 실시예들에 대한 최대 P 도핑 레벨(mole %)에 대한 1310 nm에서의 ns/km의 제곱 평균 (RMS) 펄스 확장을 나타낸다. 이들 실시예에 있어서, CP max는 CP1에 대응한다. 이러한 도면은 이들 실시예에 있어서 바람직한 최대 P 도펀트 레벨이 5와 9 mole %간이라는 것을 나타낸다.
예시의 실시예 1-38
게르마늄-인 공동-도핑 섬유들의 다양한 추가 실시예들은 이하의 모델화된 예시의 실시예들 1-38(표 1B, 2B, 3B 및 4B)에 의해 보다 명확해질 것이다. 그러한 섬유 실시예 1-11은 클래딩(200)에 모트를 포함하지 않는다. 섬유 실시예 12-38은 클래딩(200)에 위치한 다운-도핑 영역(50)을 구비한다. 이러한 예시의 실시예들에 있어서, 몇몇 섬유 파라미터들은 동일한데, 즉 코어(순수 실리카에 대한)의 상대 굴절률은 1%이고, 코어(20)의 외부 반경(R1)은 25 ㎛이고, 내부 클래딩층(30)의 외부 반경(R2)은 26.2 ㎛이며, 외부 클래딩의 반경 R4=26.2 ㎛이다. 실시예 12-38에 있어서, 클래딩층(50; 모트)의 최소 굴절률 델타는 -0.45이다. 이러한 실시예들에 있어서, x1, x2 값은 0.1 ≤ x1 ≤1 및 0.1 ≤ x2 ≤ 1이다.
표 1B, 2B, 3B 및 4B의 섬유 실시예 1-38에 있어서, 게르마니아 CGe1 및 인 CP1의 농도(실시예 12-38에서의 클래딩층(50)의 외부 반경 R4)는 섬유 성능의 변경의 효과를 관측하도록 변경한다. 그러한 외부 반경 R3의 변경은 클래딩의 모트 볼륨에 영향을 준다. 층(50)에서의 그러한 변경은 결국 매크로밴드 성능의 변경을 야기한다. 표 3은 다중모드 섬유(10)들의 밴드 성능이 이하의 식 17에 정의된 더 큰 모트 볼륨 V(영역 50의 볼륨)을 갖는 섬유들에서 더 좋다는 것을 보여주고 있다:
Figure pct00021
(식 17)
따라서, 모트 값은 30 ㎛2%보다 큰 것, 바람직하게 50 ㎛2% 이상, 및 보다 바람직하게 100 ㎛2% 이상, 예컨대 100과 300 ㎛2% 사이의 것이 바람직하다.
게르마니아 CGe1 및 인 CP1 과 코어의 직경(R1)은 섬유의 개구수에 영향을 주며, 또한 여러 파장에서의 대역폭(BW) 및 RMS 펄스 확장에 대한 값들 뿐만 아니라 제2동작 윈도우의 중심파장에도 영향을 준다. 그러한 펄스 확장은 비교예 1 및 2의 것보다 섬유 실시예 1-38에서 훨씬 더 작고, 또 980 nm 및 1300 nm에서의 대역폭(BW)은 비교예 1 및 2의 것보다 훨씬 더 크다는 것을 알 수 있을 것이다. 이는 이하의 표 1B, 2B, 3B 및 4B에 나타나 있다.
또한, 다른 실시예들에 있어서 코어의 상대 굴절률은 1%보다 크거나 또는 작다는 것을 알 수 있을 것이다. 예컨대, Δ1max는 0.25%, 0.3%, 0.5%, 0.7% 또는 1.1%, 1.5%, 2%, 또는 그들 중 어떤 것이든 될 수 있다.
[표 1B]
Figure pct00022
[표 2B]
Figure pct00023
[표 3B]
Figure pct00024
[표 4B]
Figure pct00025
모트(50), 또는 그 전체 클래딩(200; 만약 모트 층이 존재하지 않는다면)은 플루오르로 도핑된 실리카로 이루어지거나, 또는 선택적으로 게르마니아(Ge) 및 F, 또는 인(P) 및 F를 공동-도핑함으로써 이루어질 수 있으며, 이에 따라 그러한 공동-도핑 영역의 유효 굴절률은 Δ3 Min이다. 바람직하게, -0.2 ＜ Δ3 Min ＜ -0.7, 예컨대 -0.3 ＜ Δ3 Min ＜ -0.5이다. 그러한 Ge-F 또는 P-F 공동-도핑은 코어(20) 및 클래딩(200)의 점도와 더 잘 매칭한다. 클래딩에서의 게르마니아 및 플루오르 또는 P 및 F의 양은 코어에서의 게르마니아 및 인의 양에 기초하여 확립되며 그것들은 코어 점도에 영향을 준다.
저굴절률 영역(50; 또한 본원에서 모트(50)라고도 칭하는)은 또한 순수 실리카의 굴절률보다 낮은 평균 굴절률을 갖는 저하된 굴절률 영역에 제공된 비주기적으로 분포된 보이드들을 포함할 수 있다. 상기 보이드(본원에서 구멍이라고도 칭하는)들은 상기 저하된 굴절률 영역(50)에 비주기적으로 분포될 수 있다. "비주기적으로 분포된" 또는 "비주기적 분포"에 의해, 본원 출원인은, 그러한 광섬유의 단면(종축에 수직인 단면과 같은)을 취할 때, 상기 비주기적으로 분포된 구멍들이 상기 섬유의 일부를 가로질러 임의로 또는 비주기적으로 분포된다는 것을 말하려 하는 것이다. 상기 섬유의 길이를 따라 다른 지점들에서 취해진 유사한 단면들은 각각 다른 단면 구멍 패턴들을 보이는데, 즉 여러 단면들은 각기 다른 구멍 패턴들을 가지며, 그러한 구멍들의 분포 및 구멍들의 크기는 일치하지 않는다. 다시 말해서, 그러한 보이드 또는 구멍들은 비주기적인데, 즉 그것들은 섬유 구조 내에 주기적으로 분포되어 있지 않다. 이들 구멍은 광섬유의 길이(즉, 종축에 평행한)를 따라 뻗지만, 전체 섬유의 전체 길이로 확장하진 않는다. 이론에 얽매이려는 것은 아니지만, 구멍들은 몇 m 이하로 확장하며, 많은 경우 섬유 길이를 따라 1 m 이하로 확장하는 것으로 생각한다.
몇몇 실시예들에 있어서 영역(50)에서의 최대 보이드는 15 μ의 최대 직경을 갖고, 다른 실시예들에 있어서 다수의 비주기적으로 분포된 보이드들의 적어도 90%는 10 μ의 최대 평균 구멍 직경을 포함하고, 다른 실시예들에 있어서 다수의 비주기적으로 분포된 구멍들은 2000 nm 이하의 평균 보이드 직경을 포함하고, 다른 예들에 있어서 저하된 굴절률 환형부는 0.5%보다 큰 국부의 보이드 영역 %를 포함하고, 다른 실시예들에 있어서 상기 저하된 굴절률 환형부는 1과 20% 사이의 국부 보이드 영역 %를 포함하며, 다른 실시예들에 있어서 상기 저하된 굴절률 환형부는 0.05%보다 큰 총 보이드 영역 %를 포함한다.
본 발명의 사상 또는 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 통상의 기술자에게는 자명하다. 본 발명의 사상 및 요지를 반영하는 개시된 실시예들의 변형 조합, 서브-조합 및 변경들이 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있기 때문에, 본 발명은 부가의 청구항들 및 그 동등물의 범주 내의 모든 것을 포함하도록 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 경사형 굴절률 다중모드 섬유로서,
    (i) GeO2 및 최대 0.5 내지 12 mole %의 P2O5로 공동 도핑되고, 이중(dual) 알파 α1 및 α2(여기서, 840과 1100 nm간 범위에 놓인 파장(λ)에서 1.8≤α1≤2.4 및 1.9≤α2≤2.4)를 갖는 실리카계 코어; 및
    (ii) 상기 코어를 둘러싸는 실리카계 클래딩 영역을 포함하며,
    상기 섬유는 0.185와 0.23간의 개구수를 갖는 것을 특징으로 하는 경사형 굴절률 다중모드 섬유.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어는 약 200 내지 2000 ppm by wt.의 Cl 및 1.2 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 포함하는 경사형 굴절률 다중모드 섬유.
  3. 청구항 2에 있어서,
    실리카계 클래딩 영역은 순수 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 경사형 굴절률 다중모드 섬유.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리카계 클래딩 영역은 순수 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 경사형 굴절률 다중모드 섬유.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    실리카계 클래딩 영역은 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하는 경사형 굴절률 다중모드 섬유.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어는 GeO2 및 약 1 내지 9 mol % P2O5를 포함하고, 이에 따라 최대 GeO2 및 최대 P2O5 농도의 합이 19 mole %보다 크지 않으며, 상기 섬유는 0.195와 0.25간의 개구수 NA를 갖고 900 nm와 1300 nm 내 파장 중심의 2 GHz-Km보다 큰 대역폭을 갖는 경사형 굴절률 다중모드 섬유.
  7. 청구항 1 또는 6에 있어서,
    상기 코어는 GeO2 및 약 1 내지 9 mol % P2O5를 포함하고, 이에 따라 최대 GeO2 및 최대 P2O5 농도의 합이 19 mole %보다 크지 않으며, 대역폭은 약 850 nm에서 ＞ 750 MHz-Km인 광섬유.
  8. 청구항 1, 6 및 7 중 어느 한 항에 있어서,
    대역폭은 약 850 nm에서 ＞ 1500 MHz-Km인 광섬유.
  9. 청구항 1, 6, 7 및 8 중 어느 한 항에 있어서,
    대역폭은 약 980 nm에서 ＞ 1500 MHz-Km인 광섬유.
  10. 청구항 1, 6 및 7 중 어느 한 항에 있어서,
    대역폭은 약 1300 nm에서 ＞ 500 MHz-Km인 광섬유.
  11. 청구항 1에 있어서,
    850 nm에서 제한된 발진 밴드 손실은 10 mm의 밴드 직경에서 측정할 때 1.5 dB/turn 이하인 광섬유.
  12. 청구항 1에 있어서,
    850 nm에서 제한된 발진 밴드 손실은 10 mm의 밴드 직경에서 측정할 때 0.25 dB/turn 이하인 광섬유.
  13. 청구항 5에 있어서,
    모트 영역의 볼륨 평균 Ge 농도는 적어도 0.5 wt. %인 광섬유.
  14. 청구항 5에 있어서,
    플루오르 도핑 실리카계 영역의 볼륨은 30 ㎛2-%보다 큰 광섬유.
  15. 청구항 5에 있어서,
    플루오르 도핑 실리카계 영역의 볼륨은 100 ㎛2-%보다 크고 300 ㎛2-%보다 작은 광섬유.
  16. 청구항 5에 있어서,
    섬유 코어는 X mole %의 GeO2 및 Y mole %의 P2O5를 가지며, X＜Y인 경사형 굴절률 섬유.
  17. 청구항 5에 있어서,
    섬유 코어는 X mole %의 GeO2 및 Y mole %의 P2O5를 가지며, 1≤X/Y≤8인 경사형 굴절률 섬유.
  18. 청구항 1에 있어서,
    (i) 상기 실리카계 코어 영역은 GeO2 및 약 1 내지 10 wt. %의 P2O5로 공동 도핑되고, 약 200 내지 2000 ppm by wt.의 Cl을 포함하고, 1 wt. % 이하의 다른 굴절률 변경 도펀트를 갖고,
    (ii) 상기 코어 영역을 둘러싸는 실리카계 영역은 F 및 선택적으로 GeO2를 포함하고, 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지며,
    상기 섬유는 0.185와 0.215간의 개구수를 갖는 경사형 굴절률 다중모드 섬유.
  19. 청구항 1, 6, 16, 17 및 18 중 어느 한 항에 있어서,
    850 nm에서의 매크로밴드 손실을 갖는 섬유는 0.25 dB/turn 이하인 경사형 굴절률 다중모드 섬유.
  20. 청구항 18에 있어서,
    플루오린 도핑 실리카계 영역의 볼륨은 100 ㎛2-%보다 크고 300 ㎛2-%보다 작은 광섬유.
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