KR100368575B1 - 비영분산 천이 광섬유용 모재의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비영분산 천이 광섬유용 모재의 제조 방법에 관한 것으로, VAD 공법으로 2 또는 3개의 버너를 이용하여, 광섬유원료가스인 SiCl4, GeCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스를 화염 가수분해 반응시켜 광섬유 1차코아와 2차코아 또는 광섬유 1차코아와 2차코아 및 완충층용 크래딩으로 구성되는 수우트 퇴적체를 탈수, 소결, 및 연신 과정을 거쳐서 제조한다.
이 수우트 퇴적체로 형성한 광섬유는 2차코아 굴절률 프로파일이 사다리꼴 형태이며, 상부기저부와 하부기저부의 반경 길이 비율이 0.3 ∼ 0.8 이고, 영분산점은 1530nm 파장대 이하에 또는 1560nm 이상의 파장대에 있으며 영분산 기울기가 0.075ps/nm2·km이하로 매우 작다. 그러므로 본 발명에 의해 제조된 비영분산 천이 광섬유는 DWDM 전송시스템의 주영역인 1530 ∼ 1620nm 파장대에서 대용량 초고속 정보 전송이 가능하다.

Description

비영분산 천이 광섬유용 모재의 제조방법 {Non-zero dispersion shifted fiber manufacturing method}
본 발명은 비영분산 천이 광섬유(Non-Zero Dispersion Shifted Fiber)용 모제의 제조방법에 관한 것으로, 특히 수우트 퇴적체를 제조할 때 씨드로드의 외면 하단에서 광섬유원료가스인 SiCl4, GeCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스를 버너의 화염과 함께 적절히 인가하여 제조함으로써,
2차코아의 굴절률 프로파일이 사다리꼴형태를 이루며 상기 프로파일의 2차코아 상층기저부와 하층기저부의 반경에 대한 길이비율이 0.3∼0.8 정도이고 광섬유 1차코아와 클래딩의 비굴절율차는 0.5∼0.8%이며, 2차코아와 클래딩의 비굴절율차는 0.05∼0.3%정도가 되어 파장분할 영역에서 FWM(Four Wave Mixing)현상을 최소화하면서 기존의 비영분산 천이 광섬유보다 분산 기울기가 작아지게 하여 사용 가능한 파장영역이 확대되어 1530∼1620nm영역의 파장대에서 대용량 초고속 정보전송이 가능한 광섬유용 모재의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유는 정보를 포함하는 레이저 신호를 임의의 파장으로 송신할 수 있도록 코아를 통해 전송하고 코아의 외주면에 크래딩을 형성하여 임의의 파장을 갖는 신호가 전송 중에 손실이 최소가 되도록 하면서 멀리 떨어진 곳까지 안정되게 전송할 수 있도록 한 것임은 이미 잘 알려진 사실이다.
그리고 종래에 광섬유를 VAD공법(Vapor-axial Deposition Method)에 의해 싱글 모드 광섬유로 제조하게되면,
도 1 에 도시한 바와 같이 유리원료를
하단부에 설치된 1차버너(3a)를 통해 광섬유원료가스인 SiCl4, GeCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스(4a)를 화염과 함께 적절히 인가하고, 2차버너(3b)를 통해서는 광섬유원료가스인 SiCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스(4b)를 화염과 함께 적절히 인가하여 가수분해 반응시켜 씨드로드(1)에 증착시켜서 코아용 수우트 퇴적체(2)를 형성하는 과정과,
상기의 수우트 퇴적체(2)를 Cl2가스가 함유된 분위기의 로(furnace, 盧)에서 OH이온을 제거하는 과정(탈수)과,
상기 OH이온이 제거된 코아용 수우트 퇴적체(2)를 적절한 온도로 소결하여 투명유리화하는 과정과,
상기의 유리화된 코아용 수우트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신하여 코아용 유리봉을 만드는 과정과,
상기 코아용 유리봉의 외주부에 다시 유리원료를 화염 가수분해 반응을 시켜 크래딩용 수우트를 퇴적시키는 과정과,
상기 크래딩용 수우트를 소결하는 과정에 의해 광섬유를 제조하였다.
상기와 같이 종래 제조방법에 의해 제조된 싱글모드 광섬유는비굴절율차(△=n1-n2/n1, 여기서 n1은 코아굴절율, n2는 클래딩 굴절율)가 △=0.34% 정도를 이루게 되며, 도 2 에 도시됨과 같이 굴절율 분포곡선이 계단형 구조로 WDM(Wavelength Division Multiplexing : 파장분할) 사용 영역인 1550nm 파장대에서 도3의 b-2로 나타낸 바와 같이 싱글모드 광섬유의 분산이 17ps/km, nm로 매우 높다. 따라서, 특별히 분산을 보상해주지 않고서는 1530nm이상의 WDM영역에서 광대역의 장거리 전송이 불가능하다.
또한, 종래의 제조방법으로 제조된 분산 천이 광섬유는 도3의 b-2로 도시함과 같이 WDM 영역인 1550nm 파장부근에서 영분산이 존재하고 광섬유 유효면적이 작기 때문에 광신호 전송시 FWM(Four Wave Mixing)현상이 발생하여 WDM 전송시스템에 어려움이 있었다.
즉, 분산이 "0"에 가까운 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing : 파장분할) 영역에서는 3개의 파장을 하나의 광섬유를 통해 전송할 경우 상기 3개의 파장이 서로 간섭하게 되어 4번째 파장이 생성되며, 상기 새롭게 생성되는 4번째 파장은 전송 신호를 왜곡시켜 전송품질을 저하시키고 송신시 잡음으로 인식되면서 신호의 재생이 불가능해지고 사용 가능한 파장영역에 제한이 생기게 되는 등의 문제가 발생하였다.
또한 도 3의 그래프에 (b)로 도시한 것과 같이 비교적 큰 기울기로 인해 사용가능한 파장의 영역이 작아지게 되는 등의 단점이 발생하였다. 도면에서 b-1은 싱글모드(SM) 광섬유의 분산특성 그래프이며 b-2는 분산천이(DSF) 광섬유의 분산특성그래프이다.
이러한 FWM 현상의 원인이 되는 4번째 파장의 발생원인을 "JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL, QE-23"에서는 아래의 식으로 표현하고 있다.
Pijk(L) = (1024π6/n4λ2C2)(DX1111)2(PiPjPk/A2 eff)×｜[exp(iΔβ-α)L-1]/(Δβ-α) ｜2Δβ = (2πλ2 k/C)ΔfikΔfik[ Dc + (λ2 k/2c)(Δfik+ Δfik) ×{dDc(λκ)/dλ}]
여기에서, Pijk(L) : 새로 생긴 power의 세기
Dc: 광섬유 분산
Aeff: 광섬유 유효면적
따라서, 이러한 FWM현상을 억제하기 위해서는 기본적으로 광섬유의 영분산이 WDM 사용영역에서는 존재하지 않는 것이 바람직하고, 가능한 한 광섬유의 유효면적을 크게 형성하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은,
코아용 수우트 퇴적체를 제조할 때 씨드로드의 외면 하단에서 광섬유원료가스인 SiCl4, GeCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스를 버너의 화염과 함께 적절히 인가하여 제조함으로써 기존의 비영분산 천이 광섬유용 모재의 분산 기울기보다 적은 0.085이하이고, 코아의 중심에서부터 사다리꼴인 1차 크래딩의 거리와 2차 크래딩의 거리 비가 0.3∼0.8이 되도록 하여 영분산점이 1530nm파장 이하에 위치하도록 함으로써 광섬유의 굴절율차가 0.5∼0.8% 이고, 1차 크래딩의 굴절율차는 0.05∼0.3%가 되도록 하여 DWDM 영역에서 FWM 현상을 억제하면서 DWDM영역에서 사용 가능한 영역이 확대되도록 기존의 비영분산 천이 광섬유용 모재보다 분산 기울기를 작아지게 하여 광대역에 걸쳐서 분산에 대한 보상을 최소화 또는 없이 대용량의 신호를 장거리로 전송할 수 있어서 DWDM 시스템에 사용할 수 있는 비영분산 천이광섬유를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1 는 종래의 방법으로 제조된 코아용 수우트 퇴적체의 개략도.
도 2 는 종래 싱글모드 광섬유 굴절률 분포를 나타낸 개략도.
도 3 은 종래 및 본 발명에 의한 광섬유의 분산특성 그래프.
도 4 은 본 발명의 제조 과정을 나타낸 흐름도.
도 5 는 본 발명의 방법에 의해 제조되는 일 실시예에 의한 수우트 퇴적체의 개략도.
도 6 은 본 발명의 방법에 의해 제조되는 다른 실시예에 의한 수우트 퇴적체의 개략도.
도 7 은 본 발명의 탈수 및 소결에 사용되는 가열로의 개략도.
도 8 은 본 발명의 방법에 의해 제조된 크래딩용 수우트 퇴적체의 개략도
도 9 는 본 발명에 의해 제조된 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 호칭
10 : 씨드로드 12 : 수우트 퇴적체
13 : 버너 14 : 혼합가스
15 : 로심관 16 : 히터
18 : 코아용 유리봉 20 : 크레딩용 수우트 퇴적체
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유리원료를 화염 가수분해 반응시켜 코아 및 크래딩 조성을 가진 다공질 유리 미립자를 준비된 유리로드에 퇴적시켜 코아용 수우트 퇴적체를 형성하는 1차퇴적 과정과, 상기의 코아용 수우트 퇴적체를 Cl2가스가 함유된 분위기의 로속에서 탈수시키면서 OH기를 제거하는 1차탈수 과정과, 상기의 OH기가 제거된 코아용 수우트 퇴적체를 적절한 온도에서 소결하여 투명 유리화하는 1차 소결과정과, 상기의 유리화된 코아용 수우트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신하여 코아용 유리봉을 만드는 과정과, 상기의 코아용 유리봉의 외주부에 다시 화염가수분해 반응을 시켜 씰리카 수우트(이하 크래딩용 수우트라 부름)를 퇴적시키는 2차퇴적 과정과, 상기의 크래딩용 수우트 퇴적체를 소결하는 2차소결 과정에 의해 모재를 코아의 중심에서부터 사다리꼴인 1차 크래딩의 거리와 코아의 중심에서부터 2차 크래딩의 거리의 비가 0.3∼0.8이 되도록 하면서 영분산점이 1530nm 파장 이하에 위치하고 코아와 크래딩간의 굴절율차가 0.5∼0.8이 되도록 생성함으로써 1550nm 파장대에서 광섬유의 손실이 0.23 dB/Km 이하로 일정하면서 DWDM 영역에서 FWM 현상이 발생되지 않도록 함은 물론, 광섬유의 기울기가 기존 비영분산 천이 광섬유용 모재에 비해 작은 0.085 이하가 되도록 하여 사용가능한 파장의 영역이 확장되도록 하였다.
이하 본 발명을 첨부 도면에 의거 상세히 기술하여 보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조과정을 나타낸 것으로서,
유리원료를 화염 가수분해 반응시키면서 코아 및 크래딩 조성을 가진 다공질 유리 미립자를 준비된 유리로드에 퇴적시켜 코아용 수우트 퇴적체를 형성하는 1차퇴적의 제 1 과정과,
상기의 코아용 수우트 퇴적체를 Cl2가스가 함유된 분위기의 로속에서 1차 탈수시키면서 OH기를 제거하는 제 2 과정과,
상기의 OH기가 제거된 코아용 수우트 퇴적체를 적절한 온도에서 1차 소결하여 투명 유리화하는 제 3 과정과,
상기의 유리화된 코아용 수우트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신하여 코아용 유리봉을 만드는 제 4 과정과,
상기의 코아용 유리봉의 외주부에 다시 화염가수분해 반응을 시켜 크래딩용 수우트를 퇴적시키는 2차퇴적의 제 5 과정과,
상기의 크래딩용 수우트 퇴적체를 2차 소결하는 제 6 과정에 의해 광섬유용 모재가 코아의 중심에서부터 사다리꼴인 1차 크래딩의 거리와 코아의 중심에서부터 2차 크래딩의 거리의 비가 0.3∼0.8이 되도록 하면서 영분산점이 1530nm 파장 이하에 위치하고 코아와 크래딩간의 굴절율차가 0.5∼0.8이 되도록 생성한다.
이와 같은 제조 과정에 의해 형성되는 광섬유용 모재는 도 5에 도시한 것과 같이 유리로드인 씨드로드(10)의 외면 하단에서 광섬유원료가스인 SiCl4, GeCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스(14a)(14b)를 1차버너(13a) 및 2차버너(13b)에 의한 화염과 함께 적절히 인가하도록 하여 상기 씨드로드(10)의 외면에 1차코아(12a)와 2차코아(12b)가 SiO2, GeO2로 이루어진 수우트퇴적체(12)가 생성되도록 한다.
그리고 도 6은 본 발명에 의한 다른 실시예로,
유리로드인 씨드로드(10)의 외면 하단에서 광섬유원료가스인 SiCl4, GeCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스(14a)(14b)를 1차버너(13a) 및 2차버너(13b)에 의한 화염을 함께 적절히 인가하도록하고 광섬유원료가스인 SiCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스(14c)를 3차버너(13c)에 의한 화염을 함께 적절히 인가하도록하여 상기 씨드로드(10)의 외면에 1차코아(12a)와 2차코아(12b)가 SiO2, GeO2로 이루어지고, 상기 2차코아(12b)의 외면에 완충크래딩(12c)이 SiO2로 생성되는 수우트퇴적체(12)가 형성된다.
상기와 같이 본 발명에 의해 생성된 수우트퇴적체(12)를 도 7에 도시함과 같이 외면에 히터(16)를 장착한 로심관(15)에 Cl2나 SiCl4의 가스(17)를 주입하면서 He 10 ∼ 20ℓ/min, Cl2300 ∼ 1200 ㏄/min, 로 온도 900 ∼ 1400℃의 조건에서 OH기를 제거하는 1차탈수의 과정을 수행한다.
OH기가 제거된 수우트 퇴적체(12)를 1300 ∼ 1900℃의 온도 및 He 15 ∼ 35 ℓ/min 조건에서 투명 유리화하는 1차소결을 수행한다.
직경 70mm 길이로 형성한 상기 수우트 퇴적체(12)를 산·수소 화염을 이용하여 직경 15 ∼ 20mm, 길이 500mm 로 연신하여 코아용 유리봉(18)으로 제조한다.
상기와 같이 제조된 코아용 유리봉(18)은 도 8에 도시한 것과 같이 그 하단에서 광섬유원료가스인 SiCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스(19)를 버너(13)의 화염을 적절히 인가하여 2차 퇴적되도록 하여 외주면에 SiO2로 이루어진 크래딩용 수우트 퇴적체(20)를 화염 가수분해 반응으로 생성한다.
그리고 상기의 크래딩용 수우트 퇴적체(20) 및 코아용 유리봉(18)을 1300 ∼ 1900℃의 온도에서 2차 소결하여 광섬유의 모재를 생성한다.
상기의 모재를 사용하여 제조된 광섬유의 손실 특성은 도 3의 그래프에 (a)로 도시한 것과 같이 영분산이 DWDM 영역의 밖에서 발생하며 기울기가 0.085이하가 되고, 도 9의 본 발명에 의해 제조된 광섬유의 굴절율 분포를 나타낸 그래프에 도시됨과 같이 광섬유의 굴절율 프로파일이 사다리꼴형상이며, 비영분산 천이 광섬유의 굴절율 분포는 코아 상층기저부(a)와 하층기저부(b)의 반경에 대한 길이 비율이 0.3∼0.8이 되어 프로파일이 사다리꼴형태로 이루어지고, 광섬유 1차 코아와 클래딩의 비굴절률차 △1(△1=n1-n2/n1, n1은 코아 굴절률, n2는 클래딩 굴절률)은 0.5∼0.8%, 광섬유 2차 코아와 클래딩의 비굴절률차 △2(△2=n3-n2/n3, n2는 클래딩 굴절률, n3은 코아 굴절률,) 0.05∼0.3% 정도를 나타내게 된다.
따라서 본 발명의 비영분산 천이 광섬유용 모재의 제조 방법에 의한 비영분산 천이 광섬유의 굴절율 분포는 코아 상층기저부(a)와 하층기저부(b)의 반경에 대한 길이 비율이 0.3∼0.8이 되어 프로파일이 사다리꼴형태로 이루어지고, 광섬유의 비굴절율차△1과 △2는 각각 0.5∼0.8%, 0.05∼0.3%가 되어, 1550nm 파장대에서 광섬유의 손실이 0.23dB/Km 이하로 일정하면서 광섬유의 기울기가 기존 비영분산 천이 광섬유용 모재에 비해 작은 0.085이하가 되어 사용가능한 파장의 영역이 확장되었다.
따라서, 이와 같은 모재로 제조된 광섬유의 영분산 파장(λ0)은 도3의 a와 같이 1530nm 이하 또는 1560nm 이상에 있게되며, WDM(Wavelength Division Multiplexing) 영역인 1530∼1560nm 파장대에 영분산이 존재하지 않기 때문에 3파장을 동시에 전송할 경우에도 새로운 4번째 파동이 생성되는 FWM(Four Wavelength Mixing) 현상 없이 신호 전송이 가능하다. 한편 분산 기울기(S0)가 0.075ps/nm2·km이하로 매우 작기 때문에 1530∼1620nm의 광범위한 파장범위에서 대용량의 초고속 정보를 전송할 수 있게되어 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)시스템의 구성을 실현할 수 있다.

Claims (1)

  1. 섬유 원료가스인 SiCl4, GeCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스를 버너에 의해서 분사하면서 광섬유용 모재를 제조하는 방법에 있어서,
    유리원료를 화염 가수분해 반응시키면서 코아 및 크래딩 조성을 가진 다공질 유리 미립자를 준비된 유리로드에 광섬유원료가스인 SiCl4, GeCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스를 버너의 화염을 인가하면서 퇴적시켜 코아용 수우트 퇴적체를 형성하는 1차 퇴적의 제1과정과,
    상기의 코아용 수우트 퇴적체를 He 10∼20 ℓ/min 또는 Cl2300∼1200 ㏄/min의 가스가 함유된 분위기와 로 온도 900∼1400℃ 조건의 로속에서 1차 탈수시키면서 OH기를 제거하는 제2과정과,
    상기의 OH기가 제거된 코아용 수우트 퇴적체를 1300∼1900℃의 로 온도 및 He 15∼35 ℓ/min 조건에서 1차 소결하여 투명 유리화하는 제3과정과,
    상기의 유리화된 수우트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신하여 유리봉을 만드는 제4과정과,
    상기의 유리봉의 외주부에 다시 광섬유원료가스인 SiCl4와 연료가스인 H2, O2의 혼합가스를 버너의 화염을 인가하면서 화염가수분해 반응시켜 크래딩용 수우트를 퇴적시키는 공지의 2차퇴적의 제5과정과,
    상기의 크래딩용 수우트 퇴적체를 He가스 분위기와 1300∼1900℃의 로 온도 조건에서 2차 소결하는 공지의 제6과정에 의해 광섬유의 모재를 생성하여 광섬유 굴절율 프로파일이 사다리꼴형태이고, 사다리꼴 상층기저부(a)와 하측기저부(b)의 반경 방향에 대한 길이의 비율(a/b)이 0.3 내지 0.8이면서 광섬유 비굴절율차 △1(△1=n1-n2/n1, n1은 코아 굴절율, n2는 클래딩 굴절율)은 0.5∼0.8%, 광섬유 2차 코아와 클래딩의 비굴절률차 △2(△2=n3-n2/n3, n2는 클래딩 굴절율, n3는 코아 굴절율)는 0.05∼0.3% 정도를 나타내게 되어 영분산파장이 1530nm 이하 또는 1560nm 이상에 위치하고 영분산 기울기가 0.075 ps/nm2·km이하이며, 1550nm파장대에서 광섬유의 손실이 0.23 dB/km 이하가 되는 광섬유의 모재를 생성함을 특징으로 하는 비영분산 천이 광섬유용 모재의 제조방법.
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