KR100337700B1

KR100337700B1 - 오.에이치.차단막을구비한광섬유모재및그제조방법

Info

Publication number: KR100337700B1
Application number: KR1019980024159A
Authority: KR
Inventors: 오성국; 서만석; 도문현; 양진성
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2002-08-22
Also published as: KR20000003062A

Abstract

본 발명은 수정된 화학기상증착 (MCVD) 방법에 의하여 제조되는 광섬유 모재(preform)에 관한 것으로서, 원튜브, 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광섬유 모재에 있어서, 상기 원튜브과 상기 클래딩층과 사이에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 상기 원튜브에 포함된 OH가 상기 클래딩층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제1차단막을 더 구비하는 것을 특징으로 하며, 증착공정에서 클래딩층을 사이에 두고 P₂O₅가 포함되지 않은 외부 및 내부 OH-차단막을 증착시켜 코어증착공정, 응축공정 또는 크로징 공정에서 원튜브로부터 코어층으로 침투되는 OH를 효과적으로 차단할 수 있다.

Description

오.에이치. 차단막을 구비한 광섬유모재 및 그 제조방법{Optical fiber preform having OH barrier and manufacturing method thereof}

본 발명은 수정된 화학기상증착 (MCVD) 방법에 의하여 제조되는 광섬유 모재(preform)에 관한 것으로서, 특히 OH 차단막을 구비한 광섬유모재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

단일모드 광섬유는 클래딩층 및 코어층을 증착하여 만든다. DC-SM (Depressed Cladding - Single Mode) 타입의 경우, 클래딩층은 증착온도와 굴절율을 낮추기 위하여 SiO₂에 P₂O₅, GeO₂, F 등을 도핑하여 증착하고, 광을 전송하는 코어층은 굴절율을 높이기 위하여 SiO₂에 GeO₂를 도핑하여 증착한 다음, 응축 및 클로징 공정을 통하여 광섬유 모재를 제작한다.

수정된 화학기상증착 (Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD) 방법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 공정에 있어서, 증착층의 두께가 두꺼워짐에 따라 증착과정에서 튜브의 자기응축(self-collapse)이 일어나게 되고, 결과적으로 더욱 더 튜브 두께가 증가하게 된다. 또한 두껍게 증착된 증착층을 유리화(sintering and consolidation)하기 위하여 고온의 버너가 필요하게 되며, 또한 응축(collapse) 및 클로즈(close) 공정 시간이 길어져서, 원튜브가 장시간에 걸쳐 고온에 노출되게 된다.

이 과정에서 증착용 원튜브(substrate tube)에 포함된 미량의 수분(H₂O) (일반적으로 수 ppm 정도)이 증착층으로 침투(diffusion)하면서, 침투된 수분이 클래딩 영역에 증착된 P₂O₅또는 SiO₂와 결합하여 P-O-H 또는 Si-O-H 본드결합을 형성하고, 또한 코어영역까지 침투한 OH는 코어층에 증착된 SiO₂또는 GeO₂와 결합하여, Si-O 또는 Ge-O 본드결합을 해체하면서 Si-O-H 또는 Ge-O-H 본드결합을 형성하게 된다.

이와 같이 각 증착영역에서 수분과 결합하여 형성된 O-H 또는 P-O-H 본드결합은 특정한 파장영역에서 흡수밴드에 의한 광손실을 추가적으로 발생시킨다. 단일모드 광섬유의 경우 광손실에 영향을 크게 미치는 파장영역은, O-H 본드의 경우 1.24um 및 1.385um 대역, 그리고 P-O-H 본드의 경우 1.2-1.8um 대역이다. 또한 코어영역으로 침투한 OH는 비가교 산소 (Non-bridging Oxygen; NBO)를 형성하고, 그로 인하여 코어층에 있는 유리질의 구조적 균일도(homogenity)를 국부적으로 떨어뜨리게 되어, 코어층의 밀도 불균질(density fluctuation)을 유발하게 되고, 그 결과 산란 손실(scattering loss)이 증가하게 된다.

또한 증착층이 두꺼워짐에 따라 증착공정과 동시에 진행되는 유리화공정에서 튜브 내외경이 수축하는 현상이 발생함으로써 적절한 직경비 (즉, 클래딩 직경 / 코어 직경 = D/d)를 확보하기 힘들고, 이에 따라 OH 확산을 막아내기에 충분한 거리를 확보할 수 없어 OH에 의한 손실이 크게 증가된다.

종래에는 원튜브로부터 코어층으로 OH가 침투되는 것을 방지하기 위하여 클래딩층의 두께를 많이 쌓는 방법을 사용한다. 그러나 이 방법으로 대구경의 모재를 제작하는 경우, 튜브 수축으로 인하여 적절한 직경비를 확보하기 어렵고, 코어층의 증착공정 시에는 튜브층의 두께가 증가함에 의하여 코어 증착면까지의 열전달 효율이 떨어져 더욱 고온의 버너가 필요하다. 따라서, 튜브가 고온에 장시간 노출됨으로써 OH에 의한 손실이 크게 나타난다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 원튜브로부터 코어층으로 OH가 침투되는 것을 방지하기 위하여, 종래에 클래딩층의 두께를 많이 쌓는 방법을 사용하는 대신에 원튜브와 코어층 사이에 OH의 침투를 차단 또는 현저히 완화할 수 있는 장벽(차단층)을 쌓음으로써 직경비를 줄이고도 효과적으로 OH에 의한 손실을 감소시킬 수 있는 광섬유모재를 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, OH 차단막을 구비한 광섬유모재를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 기술에 의한 단일모드 (DC-SM) 광섬유를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명에 의한 단일모드 (DC-SM) 광섬유를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 화학기상증착 (MCVD) 방법을 사용하여 도2에 도시된 본 발명에 의한 단일모드 광섬유를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 광섬유 모재는, 원튜브, 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광섬유 모재에 있어서, 상기 원튜브과 상기 클래딩층과 사이에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 상기 원튜브에 포함된 OH가 상기 클래딩층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제1차단막을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 클래딩층과 상기 코어층 사이에에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 상기 원튜브로부터 상기 클래딩층으로 침투된 OH가 상기 코어층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제2차단막을 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기의 다른 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 광섬유 모재의 제조방법은, 원튜브, 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 제1차단막을 형성하는 단계; 공정온도를 낮추고 증착효율을 높이는데 적합한 물질을 더 도핑하여 클래딩층을 형성하는 단계; 및 광신호가 전달되는 영역인 코어층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 클래딩층을 형성한 후 상기 코어층을 형성하기 전에 OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 제2차단막을 더 형성하는 것이 바람직하다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 기술에 의한 단일모드 (DC-SM) 광섬유를 설명하기 위한 도면이다. 도면에서 11은 원튜브, 12는 클래딩층, 그리고 13은 코어층을 나타낸다. 또한, Δ⁺는 코어층의 굴절율을, Δ^-는 클래딩층의 굴절율을, Φd는 코어층의 직경을, 그리고 ΦD는 클래딩층의 직경을 각각 나타낸다.

클래딩층(12)을 증착하기 위하여 P₂O₅를 사용하는데, 이 P₂O₅는 그 녹는점이 썹씨 570도씨 정도로서 비교적 녹는점이 낮기 때문에 이를 다른 원료물질과 사용함에 의하여 공정온도를 낮추고, 증착효율을 높일 수 있는 잇점이 있다. 그래서, 클래딩층(12)을 증착하기 위하여 P₂O₅를 사용하지만, 한편으로는 클래딩층(12)에 도핑된 P₂O₅는 큰 흡습성을 가지고 있기 때문에 원튜브(11)에 포함되어 있는 OH를 코어층(13)으로 전달해주는 OH-가교 역할을 담당하게 된다. 그리하여, 코어층(13)에서의 OH에 의한 손실이 증가되는 결과를 초래한다.

도 2는 본 발명에 의한 단일모드 (DC-SM) 광섬유를 설명하기 위한 도면이다. 도면에서 21은 원튜브, 22는 제1차단층 (외부 클래딩층), 23는 중간 클래딩층, 24는 제2차단층 (내부 클래딩층), 그리고 25는 코어층을 나타낸다. 또한, Δ⁺는 코어층(25)의 굴절율을, Δ^-는 중간 클래딩층(23)의 굴절율을, Δ₀ ^-는 제1차단층(22)의굴절율을, Δ₁ ^-는 제2차단층(24)의 굴절율을, Φd는 코어층(25)의 직경을, ΦD₁은 제2차단층(24)의 직경을, ΦD는 중간 클래딩층(23)의 직경을, 그리고 ΦD₀은 제2차단층(22)의 직경을 각각 나타낸다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 광섬유 모재의 클래딩층은 각각 그 화학조성비가 서로 다른 세 개의 층으로 구성된다. 즉, 클래딩층은 제1차단층인 외부 클래딩층(22), 중간 클래딩층(23) 및 제2차단층인 내부 클래딩층(24)으로 구성된다.

제1차단막 (즉, 외부 클래딩층)(22)은 OH 농도가 큰 원튜브(21) 및 OH의 전달매체개인 P₂O₅가 포함된 중간 클래딩층(23) 사이에 위치하며, 원튜브(21)에 포함된 OH가 중간 클래딩층(23)으로 침투되는 것을 막기 위한 것이다. 또한, 제2차단막 (즉, 내부 클래딩층)(24)은 클래딩층(23)과 코어층(25) 사이에 위치하며, 원튜브(21)로부터 중간 클래딩층(23)으로 침투된 OH가 코어층(25)으로 침투되는 것을 막기 위한 것이다. 제1 및 제2차단막(22, 24)은 OH-가교 역할을 하는 P₂O₅를 포함하지 않으며, SiO₂, GeO₂, F 등을 이용하여 클래딩의 굴절율을 조절한다. 이들 차단막의 두께는 클래딩층의 두께에 따라 적절히 조절한다.

광섬유 모재의 굴절율 특성을 살펴보면, 코어층(25)의 굴절율이 클래딩층(23)의 굴절률보다 크다. 따라서, 외부 클래딩층(22)과 내부 클래딩층(24)의 굴절율도 중간 클래딩층(23)의 굴절율과 비슷하게 조정하며, 이들층의 굴절율이 모두 동일하게 되도록 조정할 수도 있다.

일반적으로 원튜브 내의 증착층에서의 OH농도는 원튜브의 OH농도의 1/1000 이하이다. 그러나 클래딩 증착공정에서 공정온도를 낮추기 위하여 P₂O₅를 도핑하여 클래딩층을 증착하는데, 그 P₂O₅는 큰 흡습성을 갖는다. 그리하여, 클래딩층에 증착된 P₂O₅는 원튜브로부터의 OH를 코어층으로 전달하는 가교역할을 하기 때문에 코어층에서 OH에 의한 손실을 증가시킨다. 따라서, 본 발명에서는 OH 농도가 큰 원튜브와 OH 전달 매개체인 P₂O₅를 포함하는 클래딩층 사이에, 그리고 클래딩층과 코어층 사이에 OH 확산계수가 낮은 물질들로 도핑되어 증착된 OH 차단막을 형성하여, 튜브로부터 코어층으로의 OH 확산이 방지되도록 제어할 수 있다.

도 3은 화학기상증착 (MCVD) 방법을 사용하여 도2에 도시된 본 발명에 의한 단일모드 광섬유를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. MVCD 방법은 유리로 된 원튜브(31) 속으로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃, BCl₃등의 고순도 캐리어가스를 산소와 함께 불어 넣고 가열수단(33)에 의하여 원튜브에 열을 가하면 열산화반응에 의하여 그으름 형태의 산화퇴적물이 원튜브의 안쪽에 형성된다 (도 3a 참조). 이때 원료가스의 농도를 정밀하게 컴퓨터 제어하여 굴절율을 조절하여 클래딩층/코어층(32)을 증착한다. 가열수단(33)은 직선 화살표방향으로 이동하면서 회전 화살표방향으로 회전하는 원튜브(31)에 열을 가한다. 원튜브 안에 증착될 원료가스물질은 원료물질저장부와 연결된 입력튜브를 통하여 원튜브(31)로 도입되며, 혼합밸브 및 차단밸브는 원튜브로 도입되는 원료물질의 흐름을 계량하고 그 원료물질들의 합성에 필요한 조정들을 수행한다.

본 발명에서는 클래딩층을 증착하는 공정에서, 먼저 OH 전달 매개체가 되는 흡습성이 큰 P₂O₅등을 제외하고 OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 외부클래딩층(제1차단막)을 형성한 다음, 공정온도를 낮추고 증착효율을 높이는데 적합한 물질을 더 도핑하여 중간클래딩층을 형성하고, 그 다음 다시 OH 전달 매개체인 P₂O₅등을 제외하고 OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 내부클래딩층(제2차단막)을 형성한다. 그리고 광신호가 전달되는 영역인 코어층을 형성한다. 따라서, 각 증착층에 따라 원튜브(31)로 주입되는 원료가스의 조합이 달라지게 되는데, 이것은 혼합밸브 및 차단밸브를 적절히 제어하여 수행될 수 있다.

도 3b는 원 튜브(31) 내에 클래딩층/코어층(30)이 증착된 것을 나타낸다. 도면에서, 33은 외부 클래딩층, 34는 중간 클래딩층, 35는 내부 클래딩층, 그리고 35는 코어층을 나타낸다.

그리고 도 3b에서와 같이 증착된 층들은, 응축공정(도 3c 참조)에서, 클래딩층/코어층(30)이 증착된 원튜브(31)에 가열수단(33)에 의하여 열을 가하여 이를 응축시켜 광섬유 모재(37)를 생성한다.

증착공정에서 클래딩층(34)을 사이에 두고 OH-가교역할을 하는 P₂O₅가 포함되지 않은 외부 및 내부 OH-차단막(33, 35)을 증착시킴으로써, 코어증착공정, 응축공정 또는 크로징 공정에서 원튜브(31)로부터 코어층(36)으로 침투되는 OH를 효과적으로 차단할 수 있다. 따라서 적절한 직경비 (D/d)를 유지하면서도 코어층에서의OH-흡수밴드에 의한 손실을 최소화할 수 있다. 또한 직경비를 보다 작게 할 수 있어 증착횟수를 줄일 수 있으므로써 공정시간도 단축할 수 있다.

한편, 증착과 함께 진행되는 소결공정에서 내부표면장력으로 인한 자기응축이 수트 입자의 유리화과정에서 나타나는 데, 점성도가 큰 원튜브와 점성도가 상대적으로 크게 낮은 클래딩층 사이에 튜브의 정성도와 유사한 버퍼층이 존재함으로써 튜브의 억지력을 향상시켜 튜브 수축을 줄일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 오.에이치. 차단막을 구비한 광섬유모재 및 그 제조방법에 의하면, 증착공정에서 원튜브와 클래딩층 사이 및 클래딩층과 코어층 사이에 P₂O₅가 포함되지 않은 외부 및 내부 OH-차단막을 증착시킴으로써, 코어증착공정, 응축공정 또는 크로징 공정에서 원튜브로부터 코어층으로 침투되는 OH를 효과적으로 차단할 수 있으며, 그에 따라 코어층에서의 OH에 의한 손실을 방지할 수 있다.

Claims

원튜브, 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광섬유 모재에 있어서,

상기 원튜브와 상기 클래딩층 사이에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 상기 원튜브에 포함된 OH가 상기 클래딩층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제1차단막; 및

상기 클래딩층과 상기 코어층 사이에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에의하여 증착되어 상기 클래딩층에 포함된 OH가 상기 코어층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제2차단막을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2차단막은

SiO2, GeO2, 또는 F를 도핑하여 클래딩의 굴절율을 조절하며, 흡습성이 상대적으로 큰 물질인 P2O5는 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
제1항에 있어서, 상기 제2차단막은

상기 클래딩층의 굴절율과 동일하게 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
원튜브, 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,

OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 제1차단막을 형성하는 단계;

공정온도를 낮추고 증착효율을 높이는데 적합한 물질을 더 도핑하여 클래딩층을 형성하는 단계; 및

광신호가 전달되는 영역인 코어층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 클래딩층을 형성한 후 상기 코어층을 형성하기 전에

OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 제2차단막을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 제1 또는 제2차단막은

SiO2, GeO2, 또는 F를 도핑하여 클래딩의 굴절율을 조절하며, 흡습성이 상대적으로 큰 물질인 P2O5는 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.