KR100651747B1 - Ｖａｄ법을 이용한 광섬유 모재, 그 모재의 제조방법 및 그모재를 이용한 광섬유 - Google Patents

Ｖａｄ법을 이용한 광섬유 모재, 그 모재의 제조방법 및 그모재를 이용한 광섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기상축증착(Vapor-phase Axial Deposition:VAD)법을 이용하여 광섬유 모재 및 그 제조하는 방법을 제공한다. 그 광섬유 모재는 광자결정 광섬유 (photonic crystal fiber)를 포함하는 다공구조 광섬유 (holey optical fiber)용 모재 (preform)로서, 광이 통과하는 코어; 코어를 감싸는 다공구조 클래드; 다공구조 클래드 외곽을 감싸며 기상축증착(Vapor-phase Axial Deposition:VAD)법으로 형성된 최외곽 클래드;를 포함한다. 본 발명에서는 다공구조 클래드 외곽의 최외곽 클래드를 VAD법을 이용하여 형성함으로써, 균일하고 치밀한 고품질의 광섬유 모재를 생산할 수 있다.
광자결정, 광섬유, VAD법, Holey fiber, preform

Description

ＶＡＤ법을 이용한 광섬유 모재, 그 모재의 제조방법 및 그 모재를 이용한 광섬유 {Optical fiber preform, method of fabricating the same fiber preform using VAD and optical fiber using the same fiber preform}
도 1a ~ 1c는 종래 광섬유 모재의 제조 방법을 간단하게 보여주는 도면들이다.
도 2a ~ 2c본 발명에 따른 VAD법을 이용한 광섬유 모재를 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10:코어.................30:다공구조 클래드
50:공기 구멍............70:최외곽 클래드
110:코어/다공구조 클래드 복합체 (모재 중심부)
130:회전축.............150:VAD용 가스버너,
170:최외곽 클래드용 유리 분말
본 발명은 광섬유에 관한 것으로, 특히, 광섬유의 모체가 되는 광섬유 모재, 그 모재의 제조방법 및 그 모재를 이용한 광섬유에 관한 발명이다.
광섬유 중에서 다공구조 광섬유(holey optical fiber)는 클래드 부분에 다수개의 공기 구멍(air hole)을 가지는 광섬유로서, 분산 보정 광섬유를 비롯하여 비선형 광섬유 소자, 광섬유 격자 소자 및 광섬유 증폭기 등 그 응용 범위가 점차 넓어지고 있다.
다공구조 광섬유 중에서 일반적으로 많이 사용되는 실리카 광자결정(photonic crystal) 광섬유는 일정한 모양을 가진 가늘고 긴 실리카 유리관을 쌓은 뒤, 이를 연신하여 관다발이 일정한 두께를 가지게 하고, 이 관다발을 다시 클래드용 실리카 튜브에 넣어 최종적인 모재를 완성한 후 광섬유를 인출하는 공정을 거쳐 제조하게 된다. 광자결정 광섬유는 다공구조 광섬유 중에서 일정한 광자결정이 형성된 광섬유를 지칭한다.
전형적인 광자결정 광섬유 모재는 코어를 형성하는 코어용 유리봉 또는 유리관, 격자 구조를 형성하는 클래드용 유리관 그리고 최외곽 클래드를 형성하는 유리관으로 구성된다. 여기에서 최외곽 클래드로 기 제조된 유리관을 사용할 경우 상기 최외곽 유리관과 격자 구조를 형성하는 유리관 사이의 공기층을 보상하기 위해 충진재를 삽입하여 추가적인 열처리 공정을 통하여 최종 모재를 제작한다.
도 1a ~ 1c는 종래 다공구조 광섬유의 제조 과정을 간단하게 보여준다.
도 1a를 참조하면, 전술한 대로 긴 실리카 유리관들(3)이 중심 코어(1)를 둘러싸며 나란하게 적층된다. 여기서, 코어(1)는 광이 통과하는 곳으로 유리봉이나 속이 빈 유리관 등으로 형성된다. 코어(1)를 둘러싼 유리관들(3)이 후에 광자결정 효과를 가지는 다공구조 클래드(3)를 형성한다.
도 1b를 참조하면, 도 1에서 적층된 유리관들(3)을 클래드용 실리카 튜브(9)에 넣고, 빈 공간을 유리 분말(soot)이나 유리봉 등의 충진재로 채우고 추가적인 열처리 공정을 통해 최종 광섬유 모재를 제작한다.
도 1c는 완성된 광섬유 모재의 단면을 보여주는 단면도로서, 광섬유 모재는 중심에 코어(1), 그 외곽으로 다공구조 클래드(3) 및 최외곽 클래드(7)를 포함한다. 다공구조 클래드(3)는 유리관으로 형성되므로 여전히 공기 구멍(5)이 형성되어 있다. 따라서, 그러한 광섬유 모재를 이용하여 제작된 광섬유는 다공구조 광섬유에 속하게 된다.
그러나, 위와 같은 방법에 의한 광섬유 모재의 제조는 다양한 형태의 모재 제작을 위해서 독립적인 최외곽 클래드용 유리관을 별도로 각각의 형태에 맞게 설계 및 제작하여야 하며, 충진재의 삽입 및 균일화 공정이 필수적으로 수반된다. 또한, 이러한 공정이 수행되더라도 충진재 삽입 부분이 여전히 불균일한 상태로 유지되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 균일하고 치밀한 최외곽 클래드를 포함한 광섬유 모재 및 그 모재의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 광섬유 모재의 생산 공 정을 단순화함으로써, 경제적인 광섬유 모재의 제조 및 그 모재를 이용한 광섬유를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 광이 통과하는 코어; 상기 코어를 감싸는 다공구조 클래드; 상기 다공구조 클래드 외곽을 감싸며 기상축증착(Vapor-phase Axial Deposition:VAD)법으로 형성된 최외곽 클래드;를 포함하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 코어는 SiO2를 주성분으로 하는 고형의 유리봉 또는 중심이 비어있는 유리관으로 형성될 수 있다. 유리관의 모양은 내부 및 외부가 모두 원형이거나 내부는 원형이나 외부는 육각형 등의 다각형인 형태로 이루어질 수 있고, 유리봉 또한 원형 또는 육각형 등의 다각형 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 광섬유 모재를 이용하여 제작한 광섬유를 제공한다.
상기 광섬유 모재의 제작이 간편하고 경제적이므로 그에 따라 본 발명에 따른 광섬유도 비용 면에서 저렴하다.
더 나아가, 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 광이 통과하는 코어 및 상기 코어를 감싸는 다공구조 클래드를 형성하는 단계; 및 상기 다공구조 클래드 외곽으로 기상축증착(Vapor-phase Axial Deposition:VAD)법으로 최외곽 클 래드를 형성하여 광섬유 모재를 완성하는 단계;를 포함하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 광섬유 모재를 완성하는 단계는 상기 코어 및 다공구조 클래드로 이루어진 코어/다공구조 클래드 복합체를 회전축에 고정시키는 단계, 상기 복합체 외곽으로 VAD법을 통해 유리분말을 증착하여 최외곽 클래드를 형성하는 단계 및 상기 광섬유 모재를 탈수 및 소결하는 단계를 포함한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 도면에서 구성요소들의 일부분은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 개략적 또는 과장되어 표현되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예 따른 VAD법을 이용한 광섬유 모재 및 그 제조 방법을 간단하게 보여주고 있는 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 회전축(130)에 코어 및 다공구조 클래드의 복합체(110)가 결합되어 있고, 다공구조 클래드 복합체(110) 표면으로 유리 분말(170,soot)이 쌓여 있다. 이렇게 쌓인 유리 분말(170)은 일반적인 VAD용 버너(150,burner)를 이용하여 다공구조 클래드 표면에 증착되게 된다. 이때 유리 분말(170)은 실리카(SiO2)가 일반적이며, 필요한 경우 다른 재질의 유리 분말이 사용될 수 있음은 물론이다. 한편, 버너(150) 후단에는 가스를 공급하는 공급관(152)이 연결되어 있고, 그 공급 관(152)을 통해 수소(H2 ), 산소(O2 ), 아르곤(Ar) 및 염화실리콘(SiCl4)을 포함한 가스 등이 버너(150)로 공급된다.
한편, 회전축(130)은 화살표로 도시한 바와 같이 회전(원모양 화살표)하면서 상부 방향(굵은 화살표)으로 움직이므로 최외곽 클래드용 유리 분말(170)이 증착된 초기 광섬유 모재가 인출되게 된다.
도 2b는 도 2a의 B-B 부분의 단면을 보여주는 단면도이다. 도 2b를 참조하면, 다공구조 클래드(30) 표면에 아직 최외곽 클래드가 증착되지 않은 상태이므로, 중앙의 코어(10) 및 코어(10) 외곽에 다공구조 클래드(30)만이 보여진다. 한편, 다공구조 클래드(30)는 공기구멍(50)이 존재하는 유리관으로 이루어진다. 이때, 유리관의 모양은 내부 및 외부가 모두 원형이거나 내부는 원형이나 외부는 육각형 등의 다각형인 형태로 이루어질 수 있다.
도 2c는 도 2a의 C-C 부분의 단면을 보여주는 단면도이다. 도 2c를 참조하면, 다공구조 클래드(30) 표면으로 VAD법에 의한 유리 분말이 증착되어 최외곽 클래드(70)가 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이렇게 형성된 초기 광섬유 모재는 탈수 및 소결 과정을 거쳐 완전한 광섬유 모재로 완성된다.
코어(10)는 유리일 수 있으며 중심이 공기층인 홀(hole)일 수도 있다. 일반적으로 코어(10)는 SiO2를 주성분으로 하는 고형의 유리봉 또는 중심이 비어있는 유리관으로 형성된다. 이때, 유리봉인 경우는 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb으로 구성되는 희토류 원소나 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu로 구성되 는 전이금속 원소중 적어도 하나를 함유할 수 있다. 또한, 유리관인 경우는 유리관 내부로 소정의 가스 또는 액체가 채워질 수 있는데, 그 가스 또는 액체는 광이득 매질, 포화흡수층 또는 센싱(sensing) 목적의 가스 또는 액체 등이 될 수 있다.
다공구조 클래드(30)는 일정한 내경 및 외경을 가진 유리관을 이용하여 제조하며, 유리관의 두께 및 공기 구멍(50)의 크기는 목적하는 광자결정 효과에 따라 달라진다. 도 2c에 제시된 다공구조 클래드(30)는 2층의 광자결정층을 가지고 있으나, 이는 한 예시를 불과하며, 본 발명의 범위는 예시된 광자결정 구조에 국한되지 않는다.
최외곽 클래드(70)는 다공구조 클래드(30)를 보호하며 최종적인 광섬유를 형성하는 영역으로, VAD법이 적용되어 제조된 영역이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 모재 제조 방법의 과정을 간단하게 보여주는 흐름도이다. 이하, 도 2a ~ 2c를 참조하여 설명한다.
먼저, 유리관을 적층한 뒤 연신하거나 유사한 방법으로 일정한 두께와 단면을 가지는 코어/다공구조 클래드 복합체(110)를 형성한다(S100). 다음, 형성된 코어/다공구조 클래드 복합체(110)를 모재의 중심부가 되는 회전축(130)에 결합 및 고정시킨다(S200).
결합공정 후에, 통상적인 VAD용 버너 (150)를 이용하여 원하는 조성의 유리 분말(170)을 회전축에 고정된 다공구조 클래드(30) 표면 위로 상부부터 증착시킨다(S300). 회전축은 도 2b에 도시된 화살표 방향으로 일정한 속도로 회전을 하며 수직 방향으로 상승한다. 이때, 버너(150)는 광섬유의 이용 목적에 따라 한 개 또는 두 개 이상의 사용이 가능하다. 버너에는 수소, 산소, 아르곤 및 염화 실리콘 등과 같은 가스가 공급되고, 공급되는 가스의 유량 및 회전축(130)의 상승 속도에 따라 증착되는 유리 분말의 양이 조절되며, 이는 최외곽 클래드(70)의 두께를 결정한다.
최외곽 클래드용 유리 분말이 증착된 초기 광섬유 모재는 탈수 및 소결 공정을 거쳐 최종적인 광섬유 모재로 완성된다(S400).
본 발명에 실시예에 같이 VAD법을 이용하여 광섬유 모재의 최외곽 클래드를 형성함으로써, 효율적이고 불순물의 함유가 적은 고품질의 광섬유 모재를 생산할 수 있다. 즉, 최외곽 클래드용 유리관을 독립적으로 제작하지 않고, 클래드용 유리관위에 VAD 법을 이용하여 바로 유리 분말을 쌓은 후 증착 및 소결 공정을 통해 최외곽 클래드를 형성함으로써, 충진재의 사용이 불필요하고 최외곽 클래드의 크기 조절이 용이하며 경제적으로 고품질의 광섬유 모재의 생산이 가능하다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 광섬유의 모재 제작 공정 중 최외곽 클래드를 VAD법을 이용하여 제조함으로써, 균일하고 치밀한 고품질의 광섬유 모재를 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광섬유 모재 제조 방법은 별도의 최외곽 클래드용 유리관 및 충진재가 사용되지 않고 공정이 단순화됨으로써, 경제적인 광섬유 모재의 생산 및 공급을 가능하게 한다.

Claims (14)

  1. 광이 통과하는 코어;
    상기 코어를 감싸는 다공구조 클래드;
    상기 다공구조 클래드 외곽을 감싸며 기상축증착(Vapor-phase Axial Deposition:VAD)법으로 형성된 최외곽 클래드;를 포함하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 코어는 SiO2를 주성분으로 하는 고형의 유리봉 또는 중심이 비어있는 유리관인 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 코어가 유리봉인 경우는 유리봉의 단면은 원형 또는 다각형이며,
    상기 코어가 유리관인 경우는 유리관의 단면은 내부 및 외부가 모두 원형이거나 내부는 원형이나 외부는 다각형인 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 유리봉은 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb으로 구성되는 희토류 원소나 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu로 구성되는 전이금속 원소중 적어도 하나를 함유하는 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 유리관은 유리관 내부가 소정의 가스 또는 액체로 채워진 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 가스 또는 액체는 광이득 매질, 포화흡수층 또는 센싱(sensing) 목적의 가스 또는 액체인 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 다공구조 클래드는 다수의 유리관을 적층하여 완성된 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 유리관의 단면은 내부 및 외부가 모두 원형이거나 내부는 원형이나 외부는 다각형인 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재.
  9. 제1 항의 광섬유 모재를 이용하여 제조된 광섬유.
  10. 광이 통과하는 코어 및 상기 코어를 감싸는 다공구조 클래드를 형성하는 단계; 및
    상기 다공구조 클래드 외곽으로 기상축증착(Vapor-phase Axial Deposition:VAD)법으로 최외곽 클래드를 형성하여 광섬유 모재를 완성하는 단계;를 포함하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 광섬유 모재를 완성하는 단계는,
    상기 코어 및 다공구조 클래드로 이루어진 코어 및 다공구조 클래드 복합체를 회전축에 고정시키는 단계;
    상기 복합체 외곽으로 VAD법을 통해 유리분말을 증착하여 최외곽 클래드를 형성하는 단계; 및
    상기 광섬유 모재를 탈수 및 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 VAD법은 VAD용 버너(burner)를 이용하고,
    상기 버너에 공급되는 가스는 수소(H2 ), 산소(O2 ), 아르곤(Ar) 및 염화실리콘(SiCl4)을 포함한 가스인 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 유리 분말은 실리카(SiO2) 분말을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재 제조방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 탈수 공정은 불소(F) 또는 염소(Cl)를 이용하는 것을 특징으로 하는 VAD법을 이용한 광섬유 모재 제조방법.
KR1020050110820A 2005-11-18 2005-11-18 Ｖａｄ법을 이용한 광섬유 모재, 그 모재의 제조방법 및 그모재를 이용한 광섬유 KR100651747B1 (ko)

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