KR100255409B1 - 광파이버용 실리카 글래스 모재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

센터코어와 사이드코어로 구성된 1차 모재의 외주에 외부 중착함으로써 2차 모재의 클래딩층을 완성하는 광파이버의 선행재로서의 계단-지수 실리카 글래스 모재의 제조방법에서, 클래딩층을 위한 외부증착을 1차 모재의 직경대 2차 모재의 직경의 비를 k, 2차 모재를 선인하여 얻어진 광파이버의 영분산 파장(nm)을 λo, 미리 1차 모재의 굴절율 분포에 의거하여 λo와 k 사이의 함수의 미분을 dλo/dk라 할 때, 부등식 |dλo/dk| ≤ 500nm를 만족하도록 수행하는 것에 의한 개선이 제안된다. 이런 식으로 외부증착을 수행시킬 때, 모재를 선인하여 제조한 광파이버의 영분산 파장의 균일성에 큰 개선이 얻어진다.

Description

광파이버용 실리카 글래스 모재의 제조방법

제1도는 본 발명의 목적을 설명하기 위하여 파라미터 k의 함수로서 파라미터 λo와 dλo/dk를 각각 보여주는 그래프.

제2(a), 2(b), 및 2(c)는 파라미터 △₁, △₂및 a₁/a₂의 함수로서 파라미터 λo를 각각 보여주는 그래프.

제3도는 △₁= 0.91% 및 △₂= 0.82%를 취한 k의 함수로서 λo를 보여주는 그래프.

제4도는 제1실시예에서 제조된 모재 내의 파라미터 k의 함수로서 파라미터 λo와 dλo/dk를 보여주는 그래프.

제5도는 제1실시예에서 제조된 모재를 선인(drawing)할 때 얻어진 광파이버의 길이에 따른 λo의 분포를 보여주는 그래프.

제6도는 제2실시예에서 제조된 모재 내의 파라미터 k의 함수인 파라미터 λo와 dλo/dk를 보여주는 그래프.

제7도는 제2실시예에서 제조된 모재를 선인할 때 얻어진 광파이버의 길이에 따른 λo의 분포를 보여주는 그래프.

제8도는 비교예에서 제조된 모재를 선인할 때 얻어진 광파이버의 길이에 따른 λo의 분포를 보여주는 그래프.

제9도는 반경 단면내의 종래 모재의 굴절율 분포도.

제10도는 광파이버용 다공체를 제조하기 위한 절차를 보여주는 개략도.

제11도는 굴절율 분포가 표시된 말단 표면을 보여주는 종래 광파이버 모재의 투시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 센터코어 12 : 사이드코어

13 : 클래딩층

본 발명은 광파이버의 선행재료인 모재(preform)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 종방향에서 매우 안정된 분산특성을 갖는 용융실리카 글래스 광파이버가 선인작업에 의해 얻어질 수 있는 모재의 개선된 제조방법에 대한 것이다.

공지된 바와 같이, 용융실리카 글래스의 단일모드 광파이버가 1550nm밴드의 파장을 갖는 광을 이용하여 장거리 통신서비스에 대개 이용되는데, 이는 용융실리카 글래스 광파이버의 손실은 1550nm 근방의 파장에서 최소가 되기 때문이다. 1550nm 밴드의 광을 이용한 대용량 통신서비스에서 이용될 때, 용융 실리카 글래스 광파이버는 1550nm 밴드의 파장에서 최소 분산을 갖는 것이 바람직하다.

단일 모드 광파이버 분산의 값이 재료분산과 구조분산의 전체로 표현될 때, 구조분산은 광파이버의 굴절율 분포, 예컨대, 비굴절율과 코어직경의 차이에 깊게 의존하는 반면, 재료분산은 거기에 거의 의존하지 않는다. 이러한 관점에서, 소위 분산-천이(shift) 광파이버가 제안되는데, 이 광파이버는 1550nm 밴드로 천이된 영분산 파장, 즉 분산값이 0인 파장을 갖는 광파이버이다

분산-천이 광파이버에 관하여 보면, 일본국 특공평 3-18161에서 계단형분산-천이 광파이버가 개시되어 있는바, 이 광파이버는 1.5μm 밴드에서 영분산을 가지고, 센터코어, 센터코어의 외주에 있으며 센터코어의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 사이드코어, 사이드코어의 외주에 있고 굴절율이 훨씬 더 낮으며 계단형 단면의 굴절율 분포를 갖고, 0 < P₁< 1, 0 < P₂< 1 과 △₁>0.001인 클래딩층을 갖고, 센터코어와 클래딩층 사이의 비굴절율 차이를 △₁=(n₁ ²- n₂ ²)/2n₁ ²,(여기서, n₁은 센터코어의 최대 굴절율, n₂는 클래딩 층의 굴절율), 사이드코어와 클래딩층 사이의 비굴절율 차이는 △₂=(n₃ ²- n₂ ²)/2n₃ ²,(여기서, n₃는 사이드코어의 최대 굴절율), 센터코어의 직경은 a₁, 사이드코어의 직경은 a₂, P₁=△₁/△₂, P₂=a₁/a₂로 취한다. 파라미터 P₁, P₂와 △₁이 상기 주어진 각각의 부등식을 만족하는 값을 가질 때, 재료분산과 구조분산은 서로 상쇄되어 광파이버의 영분산을 가져오는 것으로 알려져 있다.

첨부된 제9도는 상기 계단형 분산-천이 광파이버의 반경단면 내에서 굴절율의 분포를 도시하는데, 여기서, 센터코어(11)는 굴절율 n₁, 비굴절율△₁과 직경 a₁을 가지고, 사이드코어(12)는 굴절율 n₂, 비굴절율 △₂와 직경 a₂를 가지며, 클래딩층(13)은 굴절율 n₀과 부등식 n₁> n₂> n₀및 a₁< a₂< D를 만족시키는 직경 D를 가진다. 계단형 분산-천이 광파이버의 임의의 소정 분산 특성은 이러한 파라미터의 값들을 적절히 선택함으로써 얻을 수 있다.

전술한 계단형 분산-천이 광파이버는 제10도에 개략적으로 도시된 소위 VAD법에 의해 통상 제조되며, 이 방법에서 센터코어, 사이드코어, 클래딩층의 부분에 대응하는 부분들로 구성된 용융실리카 글래스의 다공성 모재가 각각의 산수소 불꽃 버너에 의해 형성된 다음, 다공성 글래스 모재에 유리질화 처리를 하여 직경 D₁을 갖는 투명 1차 글래스 모재를 생성한 다음, 적당한 두께를 갖는 추가의 다공체층이 1차 모재의 외주에 소위 외부증착법(outer deposition method)에 의해 증착되고, 추가의 다공체층에 유리질화 처리를 하여 투명실리카 글래스층으로 하는 제11도에 도시된 바와 같이 직경 D₂를 갖는 2차 모재를 생성한다. 이 2차 모재는 차단 파장, 모드 필드직경과 영분산파장과 같은 파라미터와 관계된 소정 특성을 갖는 소정 직경의 계단형 분산-천이 광파이버로 선인될 수 있다.

광파이버의 소정 영분산 파장은 이하의 방법으로 얻어질 수 있다. 따라서, 광파이버의 굴절율 분포는 결정되고 그 결과는 1차 모재의 직경 D₁에 대한 2차 모재의 직경 D₂의 비 k, 즉 D₁/D₂와 영분산 파장 λo nm 사이의 관계를 얻는데 이용된다. 추가의 클래딩층을 위하여 다공성 글래스층의 외부 증착은 전술한 식으로 결정된 영분산 파장이 소정 파장과 일치할 때까지 수행된다.

실제경우의 문제는 간단하지 않다. 예를 들어, 1차 모재는 종방향으로 균일하지 않고 다양한 파라미터에서 상당한 변동을 피할 수 없으므로, 전술한 필요조건이 모재 길이의 전체의 평균으로 또는 종방향의 한 점에서 만족할지라도, k 값은 충분히 균일하지 않고, 종방향을 따라 사소하나 무시할 수 없는 변동(fluctuation)을 하기 쉽다. 상기 1차 모재의 변동외에, 유리질화에 의해 클래딩층을 완성하는 추가의 다공체 글래스층은 밀도와 두께와 관련하여 종방향에서 충분히 균일하지 못하는데 이는 종방향을 따라 k 값이 변하게 되는 결과를 가져온다. 상기에 언급한 제어불능 상태의 결과로서, 2차 모재에서의 실제k 값도 변화기가 쉬운데, 이때의 k값은 때때로 종방향을 따라 ±0.01% 크기이거나 더 커지게 되어, 종방향을 따라 ± 10nm 이상의 영분산 파장에서의 변화를 가져온다.

물론, 종방향으로의 1차 모재의 외경의 안정화, 외부 증착법에 의해 추가로 증착되는 다공체 클래딩층의 두께의 불균일에 대한 개선 문제 등을 포함한 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 다양한 시도가 지금까지 있어 왔지만, 이 문제들을 완전히 해결할 수 있는 종래기술은 없다.

본 발명은 상기의 문제점과 종래기술에 의한 방법의 단점이 없는 광파이버용 용융실리카 글래스 모재의 개선되고 우수한 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그러므로, 본 발명에 의한 광파이버용 실리카 글래스 모재의 제조방법은 실리카 글래스의 센터코어 외주에, 센터코어를 만드는 실리카 글래스의 굴절율보다 작은 굴절율의 실리카 글래스로 만들어진 사이드코어를 형성하여 직경 D₁을 갖는 1차 모재를 생성하는 공정과, 상기 1차 모재의 외주에, 사이드코어를 만드는 실리카 글래스의 굴절율보다 작은 굴절율의 실리카 글래스로 만들어진 클래딩층을 형성하여 직경 D₂를 갖는 2차 모재를 생성하는 공정으로 이루어지는 광파이버용 실리카 글래스 모재의 제조방법에 있어서, D₁/D₂의 비를 k, 2차 모재를 선인하여 얻어진 광파이버의 영분산 파장(nm)을 λo, 1 차 모재의 굴절율 분포에 의거하여 미리 결정된 λo와 k 사이의 함수의 미분을 dλo/dk라 할 때, 부등식 |dλo/dk| ≤ 500nm를 만족하도록 클래드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 광파이버용 실리카 글래스 모재의 제조방법을 제공한다.

상기의 주어진 설명에서 이해되는 바와 같이, 본 발명은 광파이버용 계단-지수(step-index)분산-천이 모재를 위한 실리카 글래스 모재의 제조방법에 관한 것이다. 광파이버 모재의 제조를 위한 본 발명의 방법은 처음에 실리카 글래스의 센터코어 외주에, 센터코어를 만드는 실리카 글래스의 굴절율보다 작은 굴절율의 실리카 글래스로 만들어진 사이스코어를 형성하여 1차 모재를 생성하고, 상기 1차 모재의 외주에, 사이드코어를 만드는 실리카 글래스의 굴절율보다 작은 굴절율의 실리카 글래스로 만들어진 클래딩층을 형성하여 직경 D₂를 갖는 2차 모재를 생성한 다음, 추가로 1차 모재의 외주에, 사이드코어의 굴절율보다 작은 굴절율을 가지며, 부등식 |dλo/dk| ≤ 500nm(각 기호는 상기 정의와 동일한 의미를 갖는다)를 만족하도록 클래드층을 형성하는 것으로 이루어져 있다. 첨부된 제1도에서 3도를 참고로 하여, 근본적으로 필요한 원리를 설명할 수 있다.

제1도에서, 파라미터 λo 값이 예를 들어 k 값의 함수로서 나타나 있다. 광파이버는 1550nm 파장에서 사용되고, 2차 모재는 k 값이 A₁(k=0.250인 점)이나, A₂(k=0.386인 점)로 떨어지는 것과 같은 목표를 갖는 클래딩층을 형성하기 위하여 외부증착을 수행하는 것에 의해서 대개 제조되는 것으로 가정한다. 앞에서 인용한 일본국 특공평 3-18161에 의하면, 우수한 벤딩특성의 관점에서 점 A₂가 점 A₁보다 바람직하다. λo 대 k의 경로를 표시하는 dλo/dk 값은 점 A₁에서 1158.1nm, 점 A₂에서는 -1090nm이라는 큰 값을 가지므로, 종방향을 따라 k 값이 ± 0.01%라는 비록 아주 작은 변동일지라도 λo 값에서는 ± 10nm 이상의 편차값을 필연적으로 가져온다.

제1도에서, 양방향 화살표 B에 의해 지시된 범위는 부등식 |dλo/dk| ≤ 500nm와 일치한다. 외부증착에 의해 형성된 클래딩층의 두께가 이 범위내일 때, λo에서의 변동은 k의 변화가 ± 1% 이상일 때도 허용할 수 있는 범위인 ± 5nm 이하가 될 수 있다. 광파이버를 통한 광통신에 사용되는 광파장이 λo와 동일하고 클래딩층이 외부증착에 의해 상기와 같이, 더 바람직하게는 dλo/dk = 0을 만족하도록 형성될 때, 그렇게 제조된 모재를 선인하여 얻은 광파이버는 매우 뛰어난 성능을 나타낸다. 범위 B 내의 λo와 실제광통신용 광파장 사이의 일치는 센터코어의 비굴절율에서의 차이인 △₁, 사이드코어의 비굴절율에서의 차이인 △₂, 및 센터코어 직경 대 사이드코어 직경의 비인 a₁/a₂파라미터를 적절히 선택함으로써 쉽게 얻을 수 있다. 이하에서는 이러한 필요조건이 만족될 수 있는 방법을 설명한다.

제2(a), 2(b), 및 2(c)도는 dλo/dk = 0인 점에서의 영분산 파장 λo^*에 △₁, △₂와 a₁/a₂가 미치는 영향을 보여주는 제1도에서 나타난 예를 근거로 한 양에 의해 얻어진 각각의 그래프이다. 즉, λo^*는 파라미터 △₁, △₂와 a₁/a₂의 하나 이상의 값을 적절히 선택함으로써 쉽게 수정될 수 있다.

제3도는 △₂와 a₁/a₂가 각각 0.10%와 0.21%에서 상수라고 가정한 상태에서 △₁이 0.91%에서 0.82%로 변화될 때의 λo 대 k 곡선의 천이를 보여준다. 하방으로 표시된 화살표가 보여주듯이, λo^*는 △₁= 0.91%일 때의 점선 곡선에 의해 도시된 λo 대 k 특성을 갖는 1590nm로부터 △₁= 0.82%일 때 실선 곡선에 의해 도시된 λo 대 k 특성을 갖는 1555nm로 변화될 수 있다. k의 목표값이 |dλo/dk| ≤ 500nm인 요구를 만족시키기 위해 k=0.340, dλo/dk = -417.6인 점에서 설정될 때, 영분산 파장은 2차 모재의 종방향을 따라 k의 실제값의 변동이 ± 0.01%일 때도 λo 값의 변동이 ±4.2nm의 충분히 작은 변화를 가지는 광통신용 광파장인 1550nm와 동일하게 될 수 있다.

다음에는, 본 발명에 의해 얻어진 개선을 실시예와 비교예를 통하여 좀더 상세히 설명한다.

[실시예 1]

제어된 분포의 굴절율을 갖는 1차 모재를 제3도의 실선에 의해 도시된 양의 계산을 근거로 하여 제조하였다. 이 모재의 파라미터 △₁, △₂와 a₁/a₂의 실제값들은 모재 분석기를 이용하여 결정된 굴절율의 분포로부터 각각 0.82%, 0.10% 및 0.21로서, 각 목표치와 잘 일치한다. 첨부된 제4도는 k의 함수로서 λo와 dλo/dk를 보여주는 그래프이며, 여기서 λo의 값은 k=0.299, dλo/dk=-338 또는 k=0.335, dλo/dk=-329에서 1550nm가 될 수 있다. 벤딩특성을 생각하여, 클래딩층을 완성하기 위한 외부증착용 목표값으로서 k=0.335를 선택하였다.

2차 모재 전체에서의 파라미터 k의 평균값은 1차 모재 위에 그렇게 완성된 2차 모재의 중량증가로부터 계산된 0.335였다.

이렇게 얻어진 모재를 광파이버를 만들기 위하여 선인하고, 종방향을 따른 광파이버의 영분산 파장 λo는, 광파이버의 종방향에서의 λo의 분포를 도시하는 제5도의 결과를 만들기 위하여, 전체 길이에 대하여 결정되었다. λo의 편차는 최대값 1552.1nm와 최소값 1547.5nm로 매우 작았다.

[실시예 2]

제1도에 나타난 예를 근거하여, 굴절율의 분포를 위한 파라미터로서의 △₂와 a₁/a₂가 각각 0.14% 와 0.22로 선택되고, △₁는 0.91%에서 불변 값으로 하였다. 이러한 목표값으로 제조된 모재의 파라미터 △₁, △₂와 a₁/a₂의 실제값들은 각각 0.91%, 0.14% 및 0.22로서, 분석기를 이용하여 결정된 굴절율의 분포로부터 계산된 목표값과 아주 잘 일치하였다. 첨부된 제6도는 k의 함수로서 λo와 dλo/dk를 보여주는 그래프이며, 여기서 λo의 값은 k=0.337, dλo/dk = 0 에서 1550nm가 될 수 있으며, k의 값은 클래딩층용 외부증착 처리에서의 목표값으로 취하였다.

2차 모재 전체에서의 파라미터 k의 평균값은 1차 모재 위에 그렇게 완성된 2차 모재의 중량증가로부터 계산된 0.235였다.

이렇게 얻어진 모재를 광파이버를 만들기 위하여 선인하고, 종방향을 따른 광파이버의 영분산 파장 λo는 광파이버의 종방향 λo의 분포를 도시하는 제7도의 결과를 만들기 위하여 전체 길이에 대하여 결정되었다. λo의 편차는 최대값 1550.2nm와 최소값 1548.8nm로 매우 작았다.

[비교예]

제1도에 나타난 굴절율 분포를 위한 파라미터 △₁,=0.91%, △₂=0.10% 및 a₁/a₂=0.21의 값과 동일한 목표값을 갖는 1차 모재를 제조하였다. 굴절율의 분포는 제조된 모재에서 결정되었고 λo와 dλo/dk는 이들로부터 계산되어 제1도에서 나타난 결과를 k의 함수로 주었으며, 이로부터 λo의 값은 k=0.250, dλo/dk=1158.07이거나 k=0.386, dλo/dk=-1090.8에서 1550nm가 될 수 있었다. 벤딩특성을 생각하여, k=0.386의 값이 클래딩층을 완성하기 위한 외부증착용 목표값으로서 선택되었다.

실제로 얻어진 모재를 광파이버를 만들기 위하여 선인하고, 종방향을 따른 광파이버의 영분산 파장 λo는 광파이버의 종방향 λo의 분포를 도시하는 제7도의 결과를 만들기 위하여 전체 길이에 대하여 결정되었다. λo의 편차는 최대값 1561.4nm와 최소값 1543.1nm로 매우 작았다.

Claims (1)

1. 실리카 글래스의 센터코어 외주에, 센터코어를 만드는 실리카글래스의 굴절율보다 작은 굴절율의 실리카 글래스로 만들어진 사이드코어를 형성하여 직경 D₁을 갖는 1차 모재를 생성하는 공정과, 상기 1차 모재의 외주에, 사이드코어를 만드는 실리카 글래스의 굴절율보다 작은 굴절율의 실리카 글래스로 만들어진 클래딩층을 형성하여 직경 D₂를 갖는 2차 모재를 생성하는 공정으로 이루어지는 광파이버용 실리카 글래스 모재의 제조방법에 있어서, D₁/D₂의 비를 k, 2차 모재를 선인하여 얻어진 광파이버의 영분산 파장(nm)을 λo, 1차 모재의 굴절율 분포에 의거하여 미리 결정된 λo와 k 사이의 함수의 미분을 dλo/dk라 할 때, 부등식 |dλo/dk| ≤ 500nm를 만족하도록 클래드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 광파이버용 실리카 글래스 모재의 제조방법.