KR100619332B1 - 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재 제조방법 및이의 제조를 위한 전기로 - Google Patents

수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재 제조방법 및이의 제조를 위한 전기로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수정화학기상증착공정을 이용한 광섬유 모재 제조방법 및 이의 제조를 위한 광섬유 모재 제조용 전기로에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, (a) 증착튜브 내부로 수트형성가스와 산소가스를 주입시키면서 열원을 이용하여 공정진행방향으로 증착튜브를 가열하여 클래드층을 레이어 단위로 반복 적층함으로써 상기 증착튜브 내에 소정 두께의 클래드를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 열원에 의한 가열구간의 전단에는 수트형성영역, 후단에는 탈수영역이 형성될 수 있도록 열원의 온도분포를 제어하는 한편, 증착튜브 내부로 수트형성가스, 산소가스 및 탈수가스를 주입시키면서 상기 열원을 공정진행방향으로 이송하여 코어층을 적층하고, 상기 열원을 소결 온도 이상에서 공정진행방향으로 이송하여 적층된 수트층을 소결하는 과정을 레이어 단위로 반복함으로써 클래드 상에 소정 두께의 코어를 형성하는 단계;를 포함하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재 제조방법이 개시된다. 이로써 1340 내지 1460 nm 파장대의 손실이 광전송 시스템에서 일반적으로 사용하는 1310nm 파장대보다 낮은 0.33dB/Km 이하의 광손실을 갖는 광섬유 모재를 제조할 수 있다.
MCVD, 광섬유, 전기로, 광손실

Description

수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재 제조방법 및 이의 제조를 위한 전기로{Method for manufacturing optical fiber preform using MCVD and electric furnace for manufacturing the same}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 수정화학기상증착(MCVD)공정을 이용한 광섬유 모재의 제조방법을 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 공정에 의해 제조된 광섬유 모재를 도시하는 단면도.
도 3은 도 1의 공정에 의해 증착된 수트에 OH가 흡착된 상태를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클래드층 형성 공정을 나타내는 도면.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코어층 형성 공정을 설명하는 도면.
도 6은 광섬유 코어층의 파장에 따른 흡수 손실을 종래의 방법과 본 발명의 방법을 비교하여 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조용 전기로를 도시한 단면도.
도 8는 본 발명에 따른 발열체에 의한 튜브의 온도분포를 종래의 발열체와 비교하여 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...증착튜브 20...열원
30...클래드층 40...코어층
50...수트형성영역 51...탈수영역
110...케이스 120...발열체
130...전극 140...단열부재
본 발명은 광섬유 모재(preform) 제조방법 및 광섬유 모재 제조용 전기로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition: MCVD) 공정에서 실질적으로 코어층 내의 수산기(OH)가 제거된 저 수산기 광섬유 모재 제조방법 및 저 수산기 광섬유 모재 제조용 전기로에 관한 것이다.
종래의 기상 증착 방식으로 광섬유 모재를 제조하는 대표적인 공정기술로는 수정화학 기상증착(MCVD), 기상축증착(Vapor-phase Axial Deposition: VAD), 외부기상증착(Outside Vapor Deposition: OVD) 공법 등을 들 수 있다.
그 중 MCVD 공법은 내부증착방식으로 클래드 및 코어를 순차적으로 형성하는 제조방법이다. 보다 구체적으로 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 MCVD 공정은 증착튜브(1)를 선반의 주축대(미도시)에 거치시킨 후 회전하는 증착튜브(1) 내부에 SiCl4, GeCl4, POCl3 등 할라이드(halide)계열의 수트 형성가스를 산소가스와 함께 주입하면서, 산소/수소 토치(2) 등을 이용하여 증착튜브(1)를 1600℃ 이상의 온도로 가열하면서 증착튜브(1)의 축 방향을 따라 왕복운동 시킨다. 그러면 토치(2)가 한번 왕복할 때마다 반응온도에 도달한 튜브(2)내 영역에서는 하기 반응식1과 같은 산화반응이 유발되어 유리미분체(3a)(fine glass particle, 이하 수트라고 한다)가 생성된다.
SiCl4(g) + O2(g) → SiO2(s) + 2Cl2 (g)
GeCl4(g) + O2(g) → GeO2(s) + 2Cl2 (g)
상기 반응식1에서 생성된 수트입자(3a)들은 열영동현상(thermophoresis)에 의해 상대적으로 온도가 낮은 토치(2)의 전방으로 이동하여 증착튜브 내벽에 증착된다. 그리고 증착된 수트(3b)는 바로 이어서 접근하는 토치(2)의 화염에 의해 유리화 및 소결(sintering)되어 투명한 유리층(4)이 된다. 상기와 같은 과정이 계속적으로 반복되면 튜브(2) 내벽 표면에는 복수의 클래드층과 그 위에 복수의 코어층이 증착된다. 도 2는 상기와 같이 제조된 광섬유 모재의 단면을 도시한다. 도 2에서, 도면부호 5는 코어, 6은 클래드, 7은 튜브를 나타내고, 8은 코어의 직경을, 그 리고 9는 클래드의 직경을 나타낸다.
그런데 종래의 수정화학기상증착공정에서는 복수의 클래드층과 코어층이 형성되는 과정에서 그 내부에 수산기(OH)가 불순물로 포함되는 문제가 발생한다. 왜냐하면 튜브(1)로 유입되는 수트 형성가스에 미량의 수분이 불순물로 포함되어 수분이 튜브(1) 증착층 표면에 흡착된 후 고온에서 증착층 내부로 확산되어 Si와 수산기(OH)의 결합이 생기기 때문이다. 도 3은 종래의 수정화학기상증착공정을 이용한 광섬유 모재 제조시 수트 증착층이 소결된 이후의 원자간 결합구조를 보여준다. 도 3을 참조하면 다량의 수산기(OH)가 Si와 결합되어 있는 것을 확인할 수 있다.
그러나 종래 기술에 따른 수정화학기상증착공정에서는 토치(2)에 의해 수트층 증착과 소결이 일련의 과정에서 이루어지기 때문에 별도의 탈수공정을 진행하지 않는 이상 클래드층 또는 코어층에 불순물로 포함되는 수산기(OH)의 제거가 거의 불가능하다. 왜냐하면, 수정화학기상증착공정이 고온에서 진행된다고 하여도 수트층에 화학반응을 통하여 불순물로 포함된 수산기(OH)는 Si와 안정적으로 결합되어 있어 증착층(4) 내에 그대로 존재하기 때문이다.
한편, 광섬유의 가장 중요한 특성인 광손실은 광섬유 모재의 밀도차 및 조성차에 기인한 레일라이(Rayleigh) 산란 손실, 원자내 전자전이 에너지 흡수에 따른 자외선 흡수 손실, 격자 진동시 에너지 흡수에 따른 적외선 흡수 손실, 수산기(OH)의 진동에 따른 수산기 흡수 손실 또는 거시적 구부러짐 손실로 구성된다.
광섬유를 통하여 신뢰성 있는 신호 전송을 보장하기 위해서는 광손실이 적어야 한다. 광섬유는 1280nm 이상 1620nm 이하 파장 대역에서 일정 수준 이하의 광손 실을 가지므로, 현재 1310nm 및 1550nm의 두 파장대가 광통신 중심 파장대역으로 사용되고 있다. 그리고, 1383nm 파장대에서는 수산기(OH) 흡수에 의한 광손실이 다른 파장대에서보다 손실의 중요한 요인으로 여겨지고 있다.
따라서, 1310nm 에서 1550nm 까지의 모든 파장 대역을 사용하기 위해서는, 광섬유 내의 수산기(OH)에 의한 1383nm 파장대의 평균적 광손실 값이 1310nm 값(평균0.34.dB/Km) 보다 작은 값을 가져야만 한다. 게르마늄 산화물과 실리콘 산화물로 구성된 코어는 재료 자체의 밀도차와 조성차에 기인한 레일라이 산란 손실값이 약 0.28dB/Km 정도이므로, 수산기(OH)에 의해 야기되는 광손실이 적어도 0.06dB/Km 이하로 제어되어야 1310nm 내지 1550nm 파장대에서 광섬유를 사용할 수 있다. 이를 위해서는, 광섬유 내의 수산기(OH)의 농도가 1ppb 이하가 되도록 광섬유 모재의 제조공정이 제어되어야 한다. 하지만, 1㎛의 직경을 가진 입자 표면에 2개의 수산기(OH)만 존재하여도 수산기의 농도는 30ppm 정도에 이르고 이를 광손실로 환산하면 0.75dB/Km 나 된다. 이러한 사실은 종래기술에 따른 수정화학기상증착공정에서는 광섬유 모재에 불순물로 함유되는 수산기(OH) 농도를 1ppb 이하로 제어하는 것이 매우 어렵다는 것을 시사한다.
수산기(OH)가 없는 (OH-free) 싱글모드 광섬유는, 미국특허 US3,737,292, US3,823,995, US3,884,550 등에 게시된 외부기상증착공정(OVD)와 미국특허 US4,737,179, US6,131,415 등에 게시된 기상축증착공정(VAD)에 의해 제조가 가능하다고 알려져 있다.
하지만, 종래의 수정화학기상증착공정은 OVD 나 VAD 공정과는 달리 증착과 소결 과정이 동시에 진행되어, 수트가 형성됨과 동시에 수트들이 용융되면서 치밀화된다. 따라서 기존의 수정화학기상증착공정으로 제조한 광섬유에서는 소결로 인해 치밀화된 유리층 내부의 Si-OH가 1383nm 대역에서 임계적인 수산기(OH) 흡수 손실을 야기한다. 이에 따라, 수정화학기상증착공정에 의해 제조된 광섬유 모재로부터 인선되는 광섬유는 사용할 수 있는 광통신 파장대역에 제한이 따르게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 수트퇴적과 탈수과정을 동시에 진행하여 코어층의 수산기(OH)를 충분히 제거하면서도 광섬유 모재의 높은 생산성을 유지하는 저 수산기 광섬유 모재 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 즉 1383nm의 흡수 손실이 충분히 낮아 1100nm 내지 1700nm 파장대역 모두에서 광통신을 수행할 수 있는 광섬유 모재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광섬유 모재를 제조하는 전기로를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재의 제조방법은 (a) 증착튜브 내부로 수트형성가스와 산소가스를 주입시키면서 열원을 이용하여 공정진행방향으로 증착튜브를 가열하여 클래드층을 레이어 단위로 반복 적층함으로써 상기 증착튜브 내에 소정 두께의 클래드를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 열원에 의한 가열구간의 전단에는 수트형성영역, 후단에는 탈수영역이 형성될 수 있도록 열원의 온도분포를 제어하는 한편, 증착튜브 내부로 수트형성가스, 산소가스 및 탈수가스를 주입시키면서 상기 열원을 공정진행방향으로 이송 하여 코어층을 적층하고, 상기 열원을 소결 온도 이상에서 공정진행방향으로 이송하여 적층된 수트층을 소결하는 과정을 레이어 단위로 반복함으로써 클래드 상에 소정 두께의 코어를 형성하는 단계;를 포함한다.
바람직하게, 상기 수트형성영역의 온도는 1200 내지 1500℃이고, 상기 탈수영역의 온도는 700 내지 1200℃로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 열원은 저항 발열체 또는 유도 발열체를 구비한 전기로로 할 수 있다.
상기 발열체는 집중적인 발열이 이루어지는 발열부를 구비하고, 상기 발열부의 길이는 50mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 열원은 산소/수소 버너 또는 플라즈마 토치로 할 수 있다.
바람직하게, 상기 코어의 형성공정에서 소결이 이루어질 때 상기 증착튜브 내부로 탈수가스를 더 주입하여 잔여 수분 및 수산기(OH)를 추가로 제거한다.
본 발명에 따르면, 상기 탈수가스는 염소(Cl2)로 할 수 있다.
바람직하게, 상기 열원의 이동속도는 500mm/min 이하로 한다.
더욱 바람직하게, 상기 증착튜브의 회전속도는 20rpm 내지 100rpm로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광섬유 증착튜브가 관통하는 입구 및 출구가 마련된 케이스; 및 상기 케이스 내에서 상기 증착튜브를 감싸도록 설치되고, 일부 영역은 수트형성온도로, 다른 일부 영역은 탈수반응온도로 발열하는 발열체;를 포 함하는 광섬유 모재 제조용 전기로가 제공된다.
상기 발열체는 저항 발열체 또는 유도 발열체인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게 상기 저항 발열체에서 수트형성온도로 발열하는 영역은 탈수반응온도로 발열하는 영역보다 단면적이 작도록 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클래드층 형성공정을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 수산기(OH)의 농도가 500ppm 미만인 증착튜브(10)를 회전시키면서 튜브(10) 내부로 수트 형성가스(SiCl4, GeCl4, POCl3)와 산소가스의 혼합가스를 불어 넣으면서 열원(20)을 이용하여 증착튜브 내의 온도를 1700℃ 이상으로 가열한다.
도 4의 화살표 방향으로 유입된 수트 형성가스는 증착튜브(10) 표면으로부터 전도된 열에 의해 산화반응하여 수트(30a)를 생성하고, 이 수트(30a)는 튜브내에서 상대적으로 저온 영역으로 이동하여 열영동 현상에 의해 튜브 내벽에 퇴적되어 퇴적층(30b)을 형성한다.
상기 증착튜브(10)의 내벽에 적어도 한 층 이상 퇴적된 클래드 수트 입자(30b)는 도면에 도시된 바와 같이, 곧이어 접근하는 열원(20)에 의해 소결 및 유리화되어 소결층(30c)이 형성된다.
이와 같은 수트퇴적, 소결 공정을 수행하면 한 층의 클래드층(30)이 형성된다. 바람직하게 상기 수트 퇴적 및 소결 공정은 클래드(30)가 원하는 두께가 될 때까지 지속적으로 반복한다.
이 때, 상기 증착튜브(10)의 회전속도는 20rpm 내지 100rpm인 것이 바람직하다. 만약, 상기 증착튜브(10)의 회전속도가 20rpm 이하이면 수트가 균일한 두께로 퇴적되지 않는 문제점이 발생하고, 100rpm 이상이면 수트의 퇴적이 저하되는 현상이 발생한다.
바람직하게, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송속도로 증착튜브(10)의 길이방향을 따라 움직인다. 이는 열원(20)의 이송속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브 내벽에 증착되어 있는 입자들의 유리화가 불규칙하게 진행되어 증착된 면에 왜곡이 발생하기 때문이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코어층 형성공정을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 코어층 형성공정은 먼저 퇴적/탈수 공정을 진행하여 베이스 코어층(41b)을 형성한다. 구체적으로, 상기 클래드층(30)이 형성되어 있는 증착튜브(10)의 내부에 수트 형성가스, 탈수가스, 및 산소가스의 혼합가스를 불어 넣으면서 열원(20)을 이용하여 증착튜브(10)를 가열한다. 상기 수트형성가스는 SiCl4, GeCl4, POCl3이며, 상기 탈수가스는 Cl 2로 한다. 한편 상기 혼합가스에는 캐리어가스로 헬륨(He) 또는 질소(N2) 등의 불활성가스를 더 주입시킬 수 있다.
상기 가열온도의 분포는 가열구간의 전단에는 수트형성영역(50), 후단에는 탈수영역(51)이 형성될 수 있도록 열원을 제어한다.
보다 상세하게는, 도 5a의 화살표 방향으로 도입된 수트 형성가스가 산화 반응하면서 수트(41a)가 생성되고, 상기 수트(41a)는 열영동현상(thermophoresis)에 의해 상대적으로 저온 영역인 열원의 전방으로 이동하여 클래드층(30)에 퇴적되어 수트퇴적층(41b)을 형성한다. 상기 수트형성영역(50)의 온도는 수트가 생성 가능한 1200 내지 1500℃로 하는 것이 바람직하다.
그 후, 상기 퇴적된 층(41b)은 열원(20)이 진행함에 따라 탈수영역(51)으로 진입되어 탈수 반응이 이루어진다. 즉 수트가 퇴적되어 있는 증착튜브(10) 내부에는 탈수가스가 흐르고 있으므로 수트 퇴적층(41b) 또는 증착튜브(10) 내부에 존재하는 수분 또는 수산기(OH)가 탈수가스와 서로 반응하여 하기 반응식에 의해 탈수 반응이 유발되게 된다.
4Si-OH + 2Cl2 ↔ 2Si-O-Si + 4HCl +O2
Si-OH-Cl2 ↔ Si-O-Si + HCl
2H2O + Cl2 ↔ 2HCl + O2
상기 탈수영역은 탈수반응이 효율적으로 이루어지는 1200℃ 이하의 온도분포로 하는 것이 바람직하다. 만일 튜브(10) 내의 온도가 1200℃ 이상이 되면 수트들이 넥(neck)을 형성하면서 입자수가 줄어들게 되어 입자경은 증가하게 되고 기공들은 사라지게 된다. 즉, 기공 안에 존재하는 수산기(OH)들이 확산되는 속도보다 입자가 성장하는 속도가 더 빨라지게 되어 수산기(OH)가 수트(41b)사이에서 미처 확산되지 못해 내부에 포획된다.
보다 바람직하게는, 상기 수트퇴적층(41b) 내의 수산기(OH)나 수분을 효율적으로 배출시키면서 수산기(OH)가 내부에 포획되는 현상을 방지하기 위해서, 상기 탈수영역(51)을 700 내지 1200℃의 온도영역이 되도록 한다.
상기와 같은 과정을 통해 열원(20)을 1회 이동시키면서 수트의 퇴적공정과 탈수 공정을 동시적으로 행할 수 있다.
상기 열원(20)은 수소/산소 토치, 플라즈마 토치 또는 가열로가 채용될 수 있는데, 바람직하게는 구조변경이 용이하여 온도분포의 용이한 제어가 가능한 전기로로 한다. 더욱 바람직하게는 저항 발열체 또는 유도 발열체를 구비한 전기로로 한다. 상기 전기로의 온도분포의 제어는 후술하기로 한다.
바람직하게 상기 발열체는 집중적인 발열이 이루어지는 발열부를 구비하고, 상기 발열부의 길이는 50mm 이상이 되도록 한다. 이에 대한 보다 자세한 설명 역시 이후에 하기로 한다.
상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송속도로 증착튜브(10)의 길이방향을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 이는, 열원(20) 이동속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브(20) 내부로 주입된 산소가스와 수트 형성가스가 충분하게 반응하지 못하기 때문에 증착층을 형성할 SiO2 및 GeO2를 충분하게 생성하지 못하기 때문이다. 또한 튜브(20) 내부로 주입된 탈수가스와 수분 또는 수산기(OH)가 충분하게 반응을 하지 못하기 때문에 수트 퇴적층(41b) 또는 튜브(10) 내부에 존재하는 수분이나 수산기(OH)를 충분히 제거할 수 없기 때문이기도 하다.
또한, 증착튜브(10)의 회전속도는 20rpm 내지 100rpm 인 것이 바람직하다. 만약, 증착튜브(10)의 회전속도가 20rpm 이하이면 균일한 두께로 수트의 퇴적이 이루어지지 않는 문제가 발생하고, 100rpm 이상이면 수트(41a) 입자의 퇴적이 저하되는 현상이 발생한다.
수트 퇴적/탈수 공정이 진행되면 도 5b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 열원(20)을 이송하며 약 1700℃ 으로 가열하여 클래드층(30) 상에 퇴적되어 있는 수트(41b)를 소결시켜 소결층(41c)을 형성한다.
소결공정을 진행함에 있어서, 튜브 내부로 탈수가스를 투입하여 미 반응된 상태로 남아있는 여분의 수산기(OH) 또는 수분을 추가적으로 제거하는 것이 바람직 하다.
이 때, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송속도로 증착튜브(10)의 길이방향을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 만약 열원(20)의 이송속도가 500mm/min 이상이 되면 튜브(10) 내벽에 퇴적되어 있는 입자들의 유리화가 불규칙하게 진행되어 증착된 면에 왜곡이 발생하기 때문이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 공정을 순차적으로 진행하는 것에 의해 증착튜브(10)의 내벽에 베이스 코어층(41)이 형성된 상태에서 도 5c 및 도 5d의 공정을 수차례 걸쳐 반복 수행함으로써 베이스 코어층(41) 상에 적어도 하나 이상의 추가 코어층이 형성될 수 있다.
이 추가 코어층 역시 상기 베이스 코어층(41)의 형성과정과 마찬가지로 퇴적/탈수 공정(도 5c참조), 소결공정(도 5d참조)이 일체로 반복 수행됨으로써 형성된다. 도면의 참조부호 42a는 수트 생성가스의 산화반응으로 생성된 수트 입자이고, 42b는 상기 수트 입자의 퇴적층이며, 42c는 상기 수트 입자 소결층이다.
상기와 같이 베이스 코어층(41) 및 복수의 추가 코어층이 형성되면 1차 중공 모재(hollow preform)가 완성된다. 이때, 코어층의 두께는 6.0mm 이상, 클래드층의 두께는 11.0mm 이상, 광섬유 모재의 최종 외경은 20.0mm 이상인 것이 바람직하다.
한편, 모재 제조 또는 후술할 콜랩싱공정에서 수산기(OH)가 확산에 의해 코어층(40)까지 침투할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해서는 클래드층(30)을 두껍게 증착하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 클래드층 대 코어층의 외경비가 1.8 이상이 되도록 한다.
상기와 같이 제조된 중공 모재는 공지된 콜랩싱공정에 의해 광섬유 모재봉으로 제조된다. 그 후 통상의 인선(drawing)공정에 의해 상기 광섬유 모재봉을 인선하면 저 수산기 광섬유가 제조된다.
본 발명에 따라 제조된 광섬유의 광손실이 도 6에 도시되어 있다.
도 6은 광섬유 코어에서 발생하는 1100nm 에서 1700nm 영역의 광손실을 나타낸 것으로서, 점선으로 표시된 것은 수산기(OH)가 제거되지 않은 광섬유 모재를 이용하여 인선한 광섬유의 광손실을 나타내며, 실선으로 표시된 것은 본 발명에 따라 개선된 방법으로 제조된 광섬유의 광손실을 나타낸다.
도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 제조된 광섬유의경우 1383nm 파장대에서 수산기(OH)에 의한 광손실이 0.33dB/Km 이하로 현저하게 감소되었고, 1310nm 와 1550nm 대역의 산란에 의한 손실도 각각 0.34dB/Km, 0.20dB/Km 이하로 낮아 기존의 단일모드 광섬유와 대비하여 광손실이 향상되었음을 알 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 광섬유 모재 제조용 전기로가 제공된다. 바람직하게, 상기 전기로는 본 발명에서 열원(20)으로 채용된다.
상기 전기로는 로의 본체 외관을 이루며 증착튜브가 관통하는 케이스 및 상기 증착튜브를 가열하는 발열체를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 발열체의 일부는 수트형성영역을, 다른 일부는 탈수영역을 형성할 수 있는 발열영역이 연속적으로 구비된다. 이는 상술한 바와 같이 증착튜브를 가열하면서 코어층을 형성시킬 때, 수트 입자의 퇴적공정과 탈수공정이 연속하여 이루어지도록 하기 위함이다.
상기와 같은 발열체의 온도분포는 여러가지 방법으로 구현될 수 있는데 그 중 일 실시예가 도 7에 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조용 로는 로의 본체 외관을 이루는 케이스(110) 및 상기 케이스(110) 내부에 설치되며 광섬유 모재 튜브(10)가 관통하는 중공이 형성된 원통형의 발열체(120)(heating element)를 포함한다.
상기 케이스(110)에는 모재 튜브(20)가 로 내부로 삽입되도록 입구(100)와 출구(100')가 형성되어 있다.
바람직하게, 상기 발열체(120)는 전기저항이 크고 내열성이 좋은 전도 재료로 이루어진 저항 발열체로 하되, 그라파이트로 이루어질 수 있다. 발열체는 그 주변이 전극(130)과 접촉되어 이로부터 전류를 공급받는다.
상기 발열체(120)는 바람직하게 그 중심부 근처로 갈수록 두께가 얇아지는 발열부(121)(hot zone)가 마련된다. 상기 발열부(121)는 상대적으로 두께가 얇은 수트형성영역발열부(122) 및 상기 퇴적부보다 두께가 상대적으로 두꺼운 탈수영역발열부(123)의 두 영역을 구비한다.
다음 식은 저항을 구하는 일반식이다.
Figure 112004041265321-pat00001
R: 저항 ρ: 비저항
l: 길이 A: 단면적
상기 식에 의하면 저항은 단면적에 반비례한다. 따라서 발열체의 두께가 얇을수록 단면적은 작아지고 이에 따라 저항은 커진다. 발열체의 저항이 커지면 같은 전류가 인가되는 경우 발열이 커지게 된다.
따라서 상기 두께가 얇은 수트형성영역발열부(122)는 두께가 두꺼운 탈수영역발열부(123)보다 발열량이 많아져 상기 발열체의 표면온도가 구분되게 된다. 바람직하게 발열체에 의한 튜브의 수트형성영역은 1200 내지 1500℃가 되도록 하고 발열체에 의한 튜브의 탈수영역은 700 내지 1200℃가 되도록 한다.
이로써, 수트가 생성되어 퇴적이 가능한 영역과 탈수 반응이 가능한 영역이 연속적으로 형성되고 발열부가 1회 이동하여도 수트의 퇴적과 탈수가 연속적으로 일어날 수 있다.
도 8는 본 발명에 따른 발열체의 온도분포를 종래의 발열체와 비교하여 나타내는 그래프이다. 도 8를 참조하면, 점선으로 나타낸 것은 종래의 발열체에 의한 튜브의 온도분포이고 실선으로 나타낸 것은 본 발명에 따른 발열체에 의한 튜브의 온도분포이다.
수트 퇴적층 내부에 포함된 수분 또는 수산기(OH)가 탈수가스와 충분하게 반응하기 위해서는 도 8에서와 같이 종래 700 내지 1200℃ 영역인 A영역보다 본 발명에 따른 700 내지 1200℃ 영역인 B영역과 같이 700 내지 1200℃의 온도분포를 넓게 유지하는 것이 바람직하다. 이를 위해서 발열체(120)의 구조를 변경하거나 길이를 증가시키는 방법을 이용할 수 있는데 이는 탈수반응이 보다 효과적으로 일어나도록 증착튜브 내부의 온도분포를 넓게 유지하는 것이 용이하기 때문이다. 따라서 상기 발열부(121)의 길이를 50mm 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 발열체(120)는 외부로 열이 전달되는 것을 방지하기 위해 케이스(110)와 발열체(120) 사이에 개재되는 단열부재(130)로 감싸여 진다. 바람직하게, 상기 단열부재(130)는 고순도 탄소 펠트(graphite felt)로 구성될 수 있다.
대안으로, 유도 발열체를 구비한 전기로가 채택될 수도 있다. 이때는 발열체를 감싸도록 설치되어 발열시키는 유도 코일을, 수트형성영역발열부 및 탈수영역발열부에 따라 구분하여 설치하여 소정의 온도에 따라 구분하여 발열되도록 하는 방법 등이 채용될 수 있다.
비록 상기 전기로의 구체적인 구성이 본 실시예에서 개시되었으나 본 발명의 기술적 사항은 수트의 퇴적과 탈수 공정이 열원의 1회 이동에도 연속적으로 일어나도록 이에 상응하는 온도분포가 형성된 발열체에 있으므로 상기 구성요소들의 형태와 기계적인 결합방식 등은 당업자 수준에서 얼마든지 변형될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 저 수산기 광섬유 모재 제조방법 또는 이의 제조를 위한 전기로에 의하면, 광섬유 모재 제조시 수정화학기상증착공정을 이용하면서도 수트퇴적 및 탈수가 동시에 진행되도록 하여 광섬유 모재의 생산성을 감소시키지 않으면서도 그 내부에 1ppb 이하의 수소이온 농도를 갖게 한다.
따라서, 본 발명에 따른 모재를 통해 제조된 광섬유는 OH 흡수 손실이 문제되는 1340 내지 1460 nm 파장대의 손실이 광전송 시스템에서 일반적으로 사용하는 1310nm 파장대보다 낮은 0.33dB/Km 이하의 광손실을 가지게 된다.

Claims (14)

  1. 광섬유 증착튜브가 관통하는 입구 및 출구가 마련된 케이스; 및 상기 케이스 내에서 상기 증착튜브를 감싸도록 설치되고, 일부 영역은 수트형성온도로, 다른 일부 영역은 탈수반응온도로 광섬유 증착튜브를 가열시키는 발열체;를 포함하는 전기로를 열원으로 이용하여 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 증착튜브 내부로 수트형성가스와 산소가스를 주입시키면서 상기 열원을 이용하여 공정진행방향으로 증착튜브를 가열하여 클래드층을 레이어 단위로 반복 적층함으로써 상기 증착튜브 내에 소정 두께의 클래드를 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 열원에 의한 가열구간의 전단에는 수트형성영역, 후단에는 탈수영역이 형성될 수 있도록 열원의 온도분포를 제어하는 한편, 증착튜브 내부로 수트형성가스, 산소가스 및 탈수가스를 주입시키면서 상기 열원을 공정진행방향으로 이송하여 코어층을 적층하고, 상기 열원을 소결 온도 이상에서 공정진행방향으로 이송하여 적층된 수트층을 소결하는 과정을 레이어 단위로 반복함으로써 클래드 상에 소정 두께의 코어를 형성하는 단계;를 포함하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수트형성영역의 온도는 1200 내지 1500℃이고,
    상기 탈수영역의 온도는 700 내지 1200℃인 것을 특징으로 하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열원은 저항 발열체 또는 유도 발열체를 구비한 전기로인 것을 특징으 로 하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발열체는 집중적인 발열이 이루어지는 발열부를 구비하고,
    상기 발열부의 길이는 50mm 내지 300mm인 것을 특징으로 하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열원은 산소/수소 버너 또는 플라즈마 토치인 것을 특징으로 하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코어를 형성하는 공정에서, 소결이 이루어질 때 상기 증착튜브 내부로 탈수가스를 더 주입하여 잔여 수분 및 수산기(OH)를 추가로 제거하는 것을 특징으로 하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈수가스는 염소(Cl2)인 것을 특징으로 하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 열원의 이동속도는 10mm/min 내지 500mm/min인 것을 특징으로 하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재의 제조방법.
  9. 제1항 내지 제6항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착튜브의 회전속도를 20rpm 내지 100rpm으로 하는 것을 특징으로 하는 수정화학기상증착공법을 이용한 광섬유 모재의 제조방법.
  10. 광섬유 증착튜브가 관통하는 입구 및 출구가 마련된 케이스; 및
    상기 케이스 내에서 상기 증착튜브를 감싸도록 설치되고, 일부 영역은 수트형성온도로, 다른 일부 영역은 탈수반응온도로 광섬유 증착튜브를 가열시키는 발열체;를 포함하는 광섬유 모재 제조용 전기로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발열체는 저항 발열체 또는 유도 발열체인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조용 전기로.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 저항 발열체에서 광섬유 증착튜브를 수트형성온도로 가열시키는 영역은 탈수반응온도로 가열시키는 영역보다 단면적이 작은 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조용 전기로
  13. 제10항 내지 제12항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 수트형성온도는 1200 내지 1500℃ 이고,
    상기 탈수반응온도는 700 내지 1200℃ 인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조용 전기로.
  14. 제10항 내지 제12항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열체는 집중적으로 발열이 이루어지는 발열부가 구비되고,
    상기 발열부의 길이는 50mm 내지 300mm인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조용 전기로.
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