KR100591085B1 - 싱글모드 광섬유용 모재의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 싱글모드 광섬유용 모재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 OH기를 완전히 제거하여 전파장 저손실 싱글모드용 모재를 제조하도록 함으로써, 높은 손실 때문에 사용이 불가능한 파장영역으로 여겨졌던 1340∼1460nm 파장을 포함한 전체 파장영역에서 싱글모드 전송용 광섬유로 사용이 가능하도록 물의 피크가 낮은(Low Water Peak) 싱글모드 광섬유용 모재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히 종래의 VAD 공법중 다공질 유리 미립자를 준비된 씨드로드에 퇴적시키는 공정에서 코어로드의 코어 및 클래드 직경비(D/d)는 5.0 ~ 5.4인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 1280∼1620nm 파장대의 어떠한 파장에서도 사용이 가능하한 광섬유를 효율적이고 생산가격이 낮은 광섬유 모재를 생산할 수 있다
또한 본 발명은 D/d = 5.0 ~ 5.4로 제조하므로 1383nm 파장에서 0.30dB/km 이하의 낮은 수산기 손실을 갖는 광섬유를 제공할 수 있는 매우 유용한 발명이다.
VAD공법, 저손실, 싱글모드 광섬유, 수산기 손실, 코어로드 직경비

Description

싱글모드 광섬유용 모재의 제조 방법 {Manufacturing Method for Single Mode Optical Fiber}
도 1은 본 발명의 광섬유의 제조 방법 중 코어로드의 코어경(d)과 클래드경(D)의 D/d 및 굴절율 프로파일을 보여 주는 개략도,
도 2는 본 발명의 제조공정을 보여주는 개략도,
도 3은 본 발명의 제조공정을 보여주는 블록도,
도 4는 광섬유 파장별 손실 그래프,
도 5는 D/d에 따른 1383nm파장 영역에서의 OH기 손실 변화 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
1 : 코어슈트 2 : 코어부
3 : 클래드부 4 : 클래드 버너 (SiCl4 + CF4)
5 : 코어용 버너(SiCl4 + GeCl4)
본 발명은 싱글모드 광섬유용 모재의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 수산기(이하 "OH기"라 한다)를 완전히 제거하여 전파장 저손실 싱글모드용 모재를 제조하도록 함으로써, 높은 손실 때문에 사용이 불가능한 파장영역으로 여겨졌던 1340∼1460nm 파장을 포함한 전체 파장영역에서 싱글모드 전송용 광섬유로 사용이 가능한 1383nm 파장대에서 낮은 OH기를 갖는 싱글모드 광섬유용 모재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 싱글모드 광섬유를 VAD 공법(Vapor-Axial Deposition Method)에 의해 유리 재료의 모재를 제조하는 방법은 유리원료를 화염 가수분해 반응시켜 코어(SiO2+GeO2) 및 클래드(SiO2+CF4)조성을 가진 다공질 유리 미립자를 준비된 유리로드(glass rod)에 퇴적시켜 연신한 유리로드(이하 "코어로드"라 함)인 코어로드의 코어직경(d)과 코어로드 클래드 직경(D)의 비(이하 "D/d" 라 한다)가 3.5 내지 7정도로 코어용 수우트(soot) 퇴적체(이를 이하 "코어용 수우트 퇴적체"라 함)를 형성하는 공정과, 상기의
상기의 코어용 수우트 퇴적체를 염소(Cl2)가스(600cc/min≤염소유량≤1000cc/min) 및 헬륨 가스가 함유된 분위기의 로속에서 적정온도 1250℃에서 1350℃ 로 가열하여 OH기를 제거하는 탈수공정과; 상기의 OH기가 제거된 코어용 수우트 퇴적체를 헬륨 분위기 하에서 적절한 온도 1450℃이상으로 가열하여 투명 유리화하는 공정과;
상기의 유리화된 코어용 수트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신용 선반에서 산소, 수소 버너로 가열 연신하여 일정한 외경의 코어용 유리봉을 만드는 공정과; 상기의 코어용 유리봉의 외주부에 다시 화염가수분해 반응을 시켜 씰리카 수우트(이하 "클래드용 수우트"또는 "2차 클래드" 라 한다)를 퇴적시키는 공정과; 상기의 클래드용 수우트 퇴적체를 온도를 1000℃에서 1600℃까지 서서히 상승 시키면서 헬륨가스 분위기에서 진공 소결하여 싱글모드 광섬유용 모재를 생산하였다.
종래의 일반 광섬유는 VAD법으로 제조된 코어로드의 D/d는 3.5 ~ 7.0 정도에서 제조되었고 여러 시험결과 경제성 및 효율성 면에서 일반 싱글모드 광섬유의 D/d는 4.0 ~ 4.5 정도에서 제조되어 왔다. 즉, D/d 가 4.0 ~4.5 범위인 경우에는 코어 로드제조시 또는 2차 클래드 제조시에 코어로드 내부의 미반응 Si-O 결합구조에 외부로부터 확산( 확산거리 SQRT { L} = 4Dt ,여기서 D는 확산 계수, t 는 시간 )되어 들어오는 수소 이온과 반응을 하여 1383nm 부근에서 높은 OH기 손실을 갖게 된다. 광섬유를 제조한 후에도 1340nm ~ 1460nm 파장영역에서 전송용 광섬유로 사용이 불가능하였다.
종래의 싱글모드 광섬유 제조방법에서는 1383nm 파장대에서 OH기에 의해 큰 흡수 피크(peak)가 나타나 1383nm 파장 근처에서 손실(loss)이 발생하게 된다.
따라서 본 발명은 1340nm - 1460nm파장 영역에서 OH기 흡수 손실을 최소화하여 1280nm - 1620nm의 전 파장 영역에서 사용가능 한 광섬유의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 1383nm에서 낮은 OH기 흡수 손실을 가지는 단일 모드 광섬유를 VAD법으로 제조하는 것은 여러 문헌(예를 들면,S.Tomaru 외 다수가 발표 한 VAD Single mode Fiber with 0.2dB/km Loss , Electronics letters 22nd January,1981 Vol.17 NO.2 pp 92-93)에 발표되었다. 여기서 주요 내용은 VAD법으로 D/d = 3.5 - 7.0 까지 VAD법으로 성공적으로 제조하였고, D/d = 6.5-7.5 로 하여 초 저손실(loss) VAD 싱글모드 광섬유를 제조하였다.
한편, 대한민국 공개특허공보 제 1999-007119(공개일 : 1999. 1.25, 출원인 : 루센트테크놀러지스) "1385㎚에서 저손실되는 광학섬유 및 그 제조방법"에 의하면, D/d = 2.0 ~ 7.5로 하고 중공 원통형관을 이용하여 프리폼을 제조하여 1385nm에서 저손실이 되는 광섬유의 제조 기술을 공개하고 있다. 여기서 D/d를 크게 할수록 증착효율 및 제조 시간이 늘어나게 되어 제조비용이 증가 하게 되고 너무 적으면 OH기 흡수 손실이 증가하게 된다. 따라서 적은 제조비용으로 효율적으로 낮은 OH기 손실을 갖는 광섬유를 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 낮은 제조비용으로 효율적인 D/d와 낮은 수산기 손실을 갖는 싱글모드 광섬유용 모재의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 1340∼1460nm 파장대의 손실이 현재 광전송 시스템에서 일반적으로 사용하는 1310nm 파장대 보다 낮아 종래의 싱글모드 광섬유에 비해 100nm 이상의 사용가능 대역을 확대시킬 수 있고, 1280∼1620nm 파장대의 어떠한 파장에서도 사용할 수 있는 낮은 물 피크를 갖는 싱글모드 광섬유용 모재의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유리원료를 화염 가수분해 반응시켜 코어에는 SiO2+GeO2, 클래드에는 SiO2+ 불소 화합물을 증착시켜 다공질 유리 미립자를 준비된 씨드로드에 퇴적시키는 공정과, 상기 씨드로드 위에 퇴적된 코어용 수우트 퇴적체를 Cl2(또는 SiCl4)가스와 금속염화물이 함유된 분위기의 로속에서 OH기를 제거하는 탈수공정과, 상기의 OH기가 제거된 코어용 수우트 퇴적체를 적절한 온도에서 소결하여 투명 유리화하는 공정과, 상기의 유리화된 코어용 수우트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신하여 코어용 유리봉을 만드는 공정과, 상기의 코어용 유리봉의 외주부에 다시 화염가수분해 반응을 시켜 씰리카 수우트를 퇴적시키는 공정 및 상기의 클래드용 수우트 퇴적체를 소결하는 공정을 포함하는 통상의 VAD 공법에 의한 광섬유의 모재를 제조하는 방법을 개량하여
상기 다공질 유리 미립자를 씨드로드에 퇴적시키는 공정에서 D/d는 4.8 ~5.5가 되도록 퇴적시키고; 상기 OH기를 제거하는 탈수공정에서 씨드로드 위에 퇴적된 코어용 수우트 퇴적체를 헬륨가스 분위기의 로속에서 탈수 온도 1150℃±30℃로 가열하면서 OH기를 제거하고; 상기 투명 유리화하는 공정에서 상기의 OH기가 제거된 코어용 수우트 퇴적체를 헬륨분위기에서 소결 온도 1500℃±30℃ 에서 소결하고; 상기의 코어용 유리봉을 만드는 공정에서 수우트 퇴적체를 설계된 외경으로 카본 저항 로체에서 수직으로 일정하게 연신을 하고 그다음으로 산소,수소버너를 이용한 선반에서 목표 연신경으로 연신하고; 상기의 코어용 유리봉의 외주부에 다시 화염가수분해 반응을 시켜 씰리카 수우트를 퇴적시키는 공정 및 상기의 클래드용 수우트 퇴적체를 진공, 헬륨 분위기에서 소결하는 공정을 더 포함하고 이것을 드로잉하여 1383nm±3nm 파장영역에서 물 흡수 손실이 0.30dB/km 이하로 되는 1383nm파장대에서 낮은 수산기손실을 갖는 통상의 싱글모드 광섬유용 모재의 제조방법에 있어서,
상기 다공질 유리 미립자를 준비된 씨드로드에 퇴적시키는 공정에서 코어로드의 코어와 클래드 직경비(D/d)가 5.0 ~ 5.4인 것을 특징으로 한다.
상기 코어용 유리봉을 만드는 공정에서 증류수와 불산 혼합물로 표면을 에칭(etching)공정을 더 포함하고, 에칭공정에서 불산 혼합물의 비율은 0.5% 내지 10%로 하는 것이 바람직하다.
삭제
이하 본 발명의 실시예를 도면을 토대로 설명한다. 도 1은 본 발명의 광섬유의 제조 방법 중 코어로드의 코어 직경(d)과 클래드 직경(D)의 비율(D/d) 및 굴절율 프로파일을 보여 주는 개략도, 도 2는 본 발명의 제조공정을 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제조공정을 보여주는 블록도이고, 도 4는 광섬유 파장별 손실 그래프이며, 도 5는 D/d에 따른 1383nm파장 영역에서의 OH기 손실 변화 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제조공정을 보여주는 블록도이다. 청구항 1에 기재된 순서대로 본 발명의 제조공정은 유리원료를 화염 가수분해 반응시켜 코어에는 SiO2+GeO2, 클래드에는 SiO2 +불소 화합물을 증착시켜 다공질 유리 미립자를 준비된 씨드로드에 퇴적시키는 공정; 상기 씨드로드 위에 퇴적된 코어용 수우트 퇴적체를 Cl2(또는 SiCl4) 가스와 He가스가 함유된 분위기의 로속에서 OH기를 제거하는 탈수공정; 상기의 OH기가 제거된 코어용 수우트 퇴적체를 He 분위기에서 적절한 온도로 소결하여 투명 유리화하는 공정; 상기의 유리화된 코어용 수트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신하여 코어용 유리봉(코어로드)을 만드는 공정; 경우에 따라서는, 코어용 유리봉을 증류수와 불산 혼합물로 표면을 에칭(etching)하는 공정;
상기의 코어용 유리봉의 외주부에 다시 화염가수분해 반응을 시켜 클래드용 수우트를 퇴적시키는 공정; 상기의 클래드용 수우트 퇴적체를 소결하는 공정으로 진행된다. 또한, 상기의 유리화된 코어용 수트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신하여 코어용 유리봉을 만드는 공정에서 유리화된 모재를 가늘게 싱글모드 광섬유로 뽑아내는 공정을 특징으로 한다.
본 발명에서 코어로드의 코어의 성분은 SiO2+GeO2+금속화합물(또는 불산화합물)로 이루어지고, 코어로드의 클래드 성분은 SiO2+GeO2+금속화합물(또는 불산화합물)이다.
다음 표 1은 코어로드의 코어와 클래딩의 직경비(D/d)에 따른 광섬유의 1383nm 파장영역에서 OH기 손실의 특성변화를 나타낸다. 도 5는 D/d에 따른 1383nm파장 영역에서의 OH기 손실 변화 그래프로 표 1과 같은 결과를 나타내고 있다.
D/d 1383nm OH 손실 (dB/km)
4.5 0.33
4.8 0.31
5.0 0.29
5.2 0.28
5.4 0.27
5.8 0.27
6.2 0.27
6.6 0.27
7.0 0.27
상기 표 1에서 가장 효과적이고 경제적으로 낮은 OH기 손실을 갖는 광섬유를 제조하기위해서는 D/d = 5.0 ~ 5.4 사이에서 코어 슈트 모재를 제조하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 다만, D/d = 5.8 ~ 7.0 사이에서도 손실이 0.27 ㏈/㎞로 낮으나 이 부분에서는 비경제적이어서 사용하기가 곤란하다. 따라서 D/d = 5.0 ~ 5.4 사이가 경제성도 있고 손실이 낮다.
다음 표 2는 VAD 공법에 의한 저손실 싱글모드 광섬유 제조방법에 대한 종래기술과 본원발명의 제조공정에서 나타나는 기술적인 차이점을 비교한 것이다. 도 1에 도시된 본 발명의 광섬유의 제조 방법 중 코어로드의 코어경(d)과 클래드경 (D) 의 D/d 및 굴절율을 참고하여 도 2의 제조공정을 토대로 종래기술과 본 발명을 비교한다.
도 4은 일반 싱글모드 광섬유와 1383nm 파장영역에서 OH기 흡수 손실이 낮은 광섬유의 파장별 손실 그래프이다. 도 4에 의하면, 일반 싱글모드 광섬유는 1383±3nm 파장에서 물 피크(OH peak)가 존재하기 때문에 전송용 파장대로 사용하지 못하고 있다. 1383nm 파장영역에서 OH기 흡수 손실이 낮은 광섬유 는 OH peak를 제거했기 때문에 1383±3nm 파장에서 전송용 파장으로 사용이 가능한 특성을 볼 수 있다.
종래기술 본원발명
1. 코어용 수우트 제조 1. 코어용 수우트 제조
1) 조성 - 코 아 : SiO2+GeO2 - 클래드 : SiO2 2) D/d(코어/클래드) : 3.5 ∼ 7.0 1) 조성 - 코 아 : SiO2+GeO2 - 클래드 : SiO2 +불소화합물 2) D/d (코어/클래드) : 4.8∼5.5
2. 1차 탈수 Cl2+He 가스분위기 2. 1차 탈수 Cl2(또는SiCl4)+ He 가스분위기 온도:1140℃±30
3. 1차 유리화(소결) He 가스 분위기 3. 1차 유리화(소결) He 가스 분위기 도:1500℃±50
4. 코어용 유리봉 제조 4. 코어용 유리봉 제조 1)1차연신:카본저항 수직 로 2)2차연신:H2+O2 화염 선반
5. HF Etching 0.5∼10% (불산/물)
5. 클래드용 수우트 제조 6. 클래드용 수우트 제조 VAD법 또는 콜랩스 법
6. 2차 탈수 Cl2+He 가스분위기
7. 2차 유리화 He 가스 분위기 7. 2차 유리화 진공+He 가스 분위기
8. 싱글모드 광섬유 인출 (Drawing) 8. 싱글모드 광섬유 인출 (Drawing)
9.1383±3nm OH 손실 ≥0.35dB/km 9.1383±3nm OH 손실 ≤0.30dB/km
이상 앞에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 1340∼1460nm 파장대의 손실이 현재 광전송 시스템에서 일반적으로 사용하는 1310nm 파장대 보다 낮아 종래의 일반 싱글모드 광섬유에 비해 100nm 이상의 사용가능 대역을 확대시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 1280∼1620nm 파장대의 어떠한 파장에서도 사용이 가능한 싱글모드 광섬유를 제공할 수 있다.
또한 많은 응용분야에서 가격이 저렴하고 OH기의 피크가 낮은 싱글모드 광섬유용 모재의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 VAD법으로 코어로드를 제조함에 있어서 D/d = 5.0 ~ 5.4로 하여 저비용의 구조로 효과적으로 제조할 수 있으므로 1383nm 파장에서 0.30dB/km 이하의 낮은 OH기 손실을 갖는 광섬유를 제공할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 유리원료를 화염 가수분해 반응시켜 코어에는 SiO2+GeO2, 클래드에는 SiO2+ 불소 화합물을 증착시켜 다공질 유리 미립자를 준비된 씨드로드에 퇴적시키는 공정과, 상기 씨드로드 위에 퇴적된 코어용 수우트 퇴적체를 Cl2(또는 SiCl4)가스와 금속염화물이 함유된 분위기의 로속에서 OH기를 제거하는 탈수공정과, 상기의 OH기가 제거된 코어용 수우트 퇴적체를 1450℃ 온도에서 소결하여 투명 유리화하는 공정과, 상기의 유리화된 코어용 수우트 퇴적체를 설계된 외경으로 연신하여 코어용 유리봉을 만드는 공정과, 상기의 코어용 유리봉의 외주부에 다시 화염가수분해 반응을 시켜 씰리카 수우트를 퇴적시키는 공정 및 상기의 클래드용 수우트 퇴적체를 소결하는 공정을 포함하는 통상의 VAD 공법에 의한 광섬유의 모재를 제조하는 방법을 개량하여,
    상기 다공질 유리 미립자를 씨드로드에 퇴적시키는 공정에서 코어와 클래드의 직경 비율(D/d)이 4.8 ~ 5.5가 되도록 퇴적시키고; 상기 OH기를 제거하는 탈수공정에서 씨드로드 위에 퇴적된 코어용 수우트 퇴적체를 헬륨가스 분위기의 로속에서 탈수 온도 1150℃±30℃로 가열하면서 OH기를 제거하고; 상기 투명 유리화하는 공정에서 상기의 OH기가 제거된 코어용 수우트 퇴적체를 헬륨분위기에서 소결 온도 1500℃±30℃에서 소결하고; 상기의 코어용 유리봉을 만드는 공정에서 수우트 퇴적체를 설계된 외경으로 카본 저항 로체에서 수직으로 일정하게 연신을 하고 그다음으로 산소,수소버너를 이용하여 선반에서 목표 연신경으로 연신하고; 상기의 코어용 유리봉의 외주부에 다시 화염가수분해 반응을 시켜 씰리카 수우트를 퇴적시키는 공정 및 상기의 클래드용 수우트 퇴적체를 진공, 헬륨 분위기에서 소결하는 공정을 더 포함하고 이것을 드로잉 하는 것을 특징으로 하는 통상의 싱글모드 광섬유용 모재의 제조방법에 있어서,
    상기 다공질 유리 미립자를 준비된 씨드로드에 퇴적시키는 공정에서 코어로드의 코어 및 클래드 직경비(D/d)는 5.0 ~ 5.4 인 것을 특징으로 하는 싱글모드 광섬유용 모재의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기의 유리화된 클래드용 수트 퇴적체를 광섬유로 뽑아내는 드로잉공정에서 프리폼을 녹이는 단계와 냉각,코팅,경화,권취 단계를 거쳐 1383nm±3nm 파장영역에서 OH기 흡수 손실이 0.30dB/km 이하인 것을 특징으로 하는 싱글모드 광섬유용 모재의 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서, 코어용 수우트 퇴적체를 코어와 클래딩 직경 비(D/d)가 3.5 ~ 4.0 으로 제조 탈수, 소결하고 설계된 연신경으로 연신하여 클래드용 유리관에 삽입 콜랩스하여 1383nm±3 nm 파장영역에서 OH기 흡수 손실이 0.30dB/km 이하로 되는 것을 특징으로 하는 싱글모드 광섬유용 모재의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 콜랩스하는 방법은 상기 제2항으로 제조된 코어 연신체를 설계된 연신경으로 연신하고, 수직형 카본 저항 로체에서 클래드용 유리관에 이 코어 연신체를 삽입하면서 콜랩스하는 것을 특징으로 하는 싱글모드 광섬유용 모재의 제조방법.
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