KR101031562B1 - Ｏｈ기에 의한 흡수를 감소시킨 광섬유용 유리 모재 및 그제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 낮은 비용으로 OH기가 적어지도록 흡수를 감소시킨 광섬유용 유리 모재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명은 코어부 및 클래드의 일부를 갖는 코어 로드를 제조하고, 상기 코어 로드의 외주에 유리 미립자를 퇴적하여 추가 클래드를 형성하고, 얻어진 다공질 모재를 소결 및 투명 유리화 처리하는 광섬유용 유리 모재의 제조 방법에 있어서, 상기 광섬유용 유리 모재를 드로잉하여 얻어지는 광섬유가, 상기 코어 로드 해당 부분의 외경을 a라 하고, 파장 1385nm에서의 모드 필드 직경을 m이라 할 때, a와 m의 비가 3.75≤a/m≤6의 관계를 충족시키도록 상기 코어 로드를 제조하는 것을 특징으로 한다.
광섬유, 유리 모재, 코어 로드, 클래드, 모드 필드, 다공질 모재, 전송 손실

Description

ＯＨ기에 의한 흡수를 감소시킨 광섬유용 유리 모재 및 그 제조 방법{GLASS BASE MATERIAL FOR OPTICAL FIBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF WHERE ABSORPTION BY HYDROXYL GROUPS IS REDUCED}
도 1은 종래의 광섬유의 전송 손실 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 광섬유를 나타내는 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 광섬유용 유리 모재 제조 공정의 일례를 나타내는 공정 설명도이다.
도 4는 OH기 흡수 피크의 높이와 a/m의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 광섬유의 전송 손실 특성을 나타내는 그래프이다.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
1; 코어 로드 해당 부분, 2; 모드 필드 직경, 3; 코어 직경,
4; 광섬유 직경, 5; 코어용 버너, 6; 클래드용 버너, 7; 유리 미립자 흐름,
8; 코어 로드용 다공질 모재, 9; 가열로, 10; 코어 로드, 11; 유리 선반,
12; 연신된 코어 로드, 13; 유리 미립자 흐름, 14; 다공질 유리층,
15; 광섬유용 다공질 모재, 16; 가열로, 17; 광섬유용 유리 모재
본 발명은 광섬유용 유리 모재(母材)의 제조에 관한 것으로, 특히 OH기에 의한 흡수를 감소시킨 광섬유용 유리 모재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
광섬유를 이용한 통신에는 가격이 저렴한 반도체 레이저를 사용할 수 있기 때문에, 주로 1300nm 부근 또는 1550nm 부근의 파장이 이용되고 있다. 그러나, 최근의 파장다중(WDM) 통신 기술의 진보에 수반하여 전송 용량을 증가시키기 위해 1300nm 내지 1600nm의 넓은 파장 대역을 이용할 필요가 생겼다.
도 1에 일반적인 싱글모드 광섬유의 전송 손실과 파장의 관계를 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적 광섬유의 전송 손실은 1385nm 부근에서 급격히 증가된다. 전송 손실이 증가되면 1385nm 부근의 광을 이용하여 전송할 수 없고, CWDM(거친 WDM) 등에서 이용할 수 있는 채널수가 감소되어 전체 전송 용량이 저하된다. 광 신호를 장거리에 전송하기 위해서는 광을 중계하여 증폭시키는 중계국을 증설해야 하지만, 여기에는 통신 시스템 전체의 코스트가 증가되는 문제가 있다.
따라서, 파장 1385nm 부근에서의 전송 손실의 급격한 증가를 억제할 필요가 있다. 파장 1385nm 부근에서의 전송 손실의 급격한 증가는 광섬유에 포함되는 OH기의 흡수에 기인한 것으로, 이것은 OH기가 진동하여 광을 흡수함으로써 일어난다. 이러한 OH기에 의한 흡수 피크를 작게 하기 위해서는 광섬유의 모재인 유리 모재의 단계에서 OH기의 양을 줄일 필요가 있다.
또한, OH 흡수 피크의 값은, 도 1에서의 파장 1385nm 부근에서의 전송 손실 피크 값과, 전송 손실이 완만하게 감소된 경우인 파선으로 나타낸 곡선의 파장 1385nm 부근에서의 전송 손실 값의 차로부터 얻어진다. 또한, 도 1에서의 OH 흡수 피크의 값은 약 0.1dB/km이다.
OH기를 감소시킨 단일 모드 섬유(single mode fiber)용 유리 모재를 제공하는 방법에는 오버 재킷팅(over jacketing)법을 이용한 일본국 특허 제3,301,602호를 들 수 있다. 이 방법은 코어를 포함하는 글라스 로드(glass rod)를 소정의 직경으로 조정하는 연신 작업에서, 글라스 로드가 OH기로 오염되지 않도록 플라즈마 화염을 이용하거나, 화염으로 연신한 후에 피오염층을 제거하여 OH기를 감소시킨다.
그러나, 통상 광섬유용 유리 모재의 제조 공정에서, 플라즈마 화염을 이용하는 방법은 일반적이 아니며, 오히려 산수소(酸水素) 화염에 의한 방법이 널리 채용되고 있다. 산수소 화염에 의한 연신 방법을 채용한 경우에 필요하게 되는, OH기에 의한 피오염층의 제거 공정이 통상적인 단일 모드 광섬유의 제조에서는 불필요한 공정이며, 이로 인해 코스트가 상승한다.
또한, 중공(中空) 원통관의 재킷 형성 방법이 일반적으로 알려져 있다. 이 방법은 코어를 포함하는 글라스 로드 상에 직접 유리 미립자를 퇴적시켜 탈수 및 투명 유리화를 행하는 방법으로, OVD법이나 축 증착 VAD법에 비해 코스트가 높다. 그 이유는 중공 원통관 자체가 OVD법이나 축 증착 VAD법에 의해 만들어져 있으므로, 그 후의 형상 가공이나 표면 가공이 불가결하기 때문이다.
따라서, 본 발명은 낮은 비용으로 OH기가 적어지도록 흡수를 감소시킨 광섬 유용 유리 모재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 광섬유용 유리 모재의 제조 방법은, 코어부 및 클래드의 일부를 갖는 코어 로드를 제조하고, 상기 코어 로드의 외주(外周)에 유리 미립자를 퇴적시켜 추가 클래드를 형성하고, 얻어진 다공질 모재를 소결 및 투명 유리화 처리하는 광섬유용 유리 모재의 제조 방법에 있어서, 상기 광섬유용 유리 모재를 드로잉(drawing)하여 얻어지는 광섬유가, 상기 코어 로드 해당 부분의 외경을 a라 하고 파장 1385nm에서의 모드 필드(mode field) 직경을 m이라 할 때, a와 m의 비가 3.75≤a/m≤6의 관계를 충족시키도록 상기 코어 로드를 제조하는 것을 특징으로 한다.
코어 로드는 VAD, OVD, MCVD, PCVD 중 어느 하나의 방법을 이용하여 제조된 것이 사용되고, 적어도 그 외경의 90% 이내의 부분에서, 평균 OH 함유 농도가 1ppb 이하이다. 또, 상기 추가 클래드는 적어도 그 내경의 150% 이내의 부분에서, 평균 OH 함유 농도가 50ppm 이하로 된다.
본 발명의 광섬유용 유리 모재는 상기 제조 방법을 이용하여 제조된 것이다. 광섬유는 상기 유리 모재를 가열 및 드로잉하여 얻어지고, 상기 광섬유의 전송 손실 스펙트럼에서, 파장 1385nm 근방에서의 OH기에 기인하는 흡수 손실의 기여분(寄與分)은 0.04dB/km 이하이다.
[발명의 실시 형태]
본 발명의 제1 형태는 파장 1385nm에서의 광섬유 중 OH기에 기인하는 전송 손실을 감소시킨 광섬유를 얻기 위해 사용되는 광섬유용 유리 모재의 제조 방법으로서, 상기 유리 모재를 드로잉하여 얻어지는 광섬유가, 상기 코어 로드 해당 부분의 외경을 a라 하고 파장 1385nm에서의 모드 필드 직경을 m이라 할 때, a와 m의 비가 3.75≤a/m≤6의 관계를 충족시키도록 상기 코어 로드를 제조하고, 또한, 상기 코어 로드의 외주에 추가 클래드를 형성하여 소결 및 투명 유리화 처리하여 광섬유용 유리 모재를 제조하는 것이다.
본 발명의 광섬유용 유리 모재는, 예를 들면, 상기 3.75≤a/m≤6의 관계를 충족시키는 코어부 및 클래드부의 일부를 갖는 코어 로드를 준비하는 단계, 상기 코어 로드를 화염에 의해 소정의 직경으로 가열 연신하는 단계, 연신된 코어 로드의 외주에 유리 원료를 화염 가수분해하여 합성한 유리 미립자를 퇴적하여 다공질 모재로 만드는 추가 클래드 부여 단계, 상기 다공질 모재를 염소가 포함된 분위기 중 900∼1250℃에서 탈수 처리하는 단계, 및 추가로 리튬을 주성분으로 하는 분위기 중 1400℃ 이상의 온도에서 투명 유리화 처리하는 단계를 거쳐 제조된다. 광섬유는 상기 유리 모재를 드로잉하여 얻어진다.
본 발명의 광섬유용 유리 모재를 드로잉하여 얻어지는 광섬유의 단면을 도 2에 개략적으로 나타낸다.
코어와 클래드의 일부로 이루어지는 코어 로드 해당 부분(1) 내에는 코어가 있고, 파장 1385nm에서의 모드 필드 직경(2)은 코어 직경(3)보다 크다, 모드 필드 직경(1)보다 외측의 영역에서도 광 파워는 존재하고, 외측을 향해 지수함수적으로 감소된다. 코어 로드 해당 부분(1)의 표면 부근에는 상기 코어 로드를 화염으로 연신시키는 것에 의한 OH기가 수 ppm∼수십 ppm의 농도로 존재하는데, 이 영역을 모드 필드 직경(1)으로부터 충분히 이격시킴으로써 OH 흡수 피크를 억제할 수 있고, OH기에 의한 피오염층의 제거를 불필요하게 만든다. 도면에서, 부호 (4)는 광섬유의 직경이다.
코어 로드는 VAD, OVD, MCVD, PCVD 중 어느 하나의 방법을 이용하여 제조된다. 이 중에서 특히 OH기 함유량을 감소시키기에 용이한 것은 VAD법이며, 이는 코어 로드 중앙부에 제조 개시부터 제조 종료에 도달할 때까지, 구멍(穴)이 존재하지 않기 때문이다. 다른 방법은 모두 코어 로드 중앙부에 구멍이 존재하기 때문에 OH기 함유량을 줄이기 위해서는 각별한 주의를 요한다.
코어 로드의 평균 OH기 함유 농도는 코어 로드의 적어도 외경의 90% 이내 부분에서 1ppb 이하로 되지만, 이 농도는 VAD법을 이용하여 코어 로드용 다공질 모재를 제조하여 얻어진 다공질 모재의 탈수 처리를 주의깊게 행함으로써 비교적 용이하게 달성할 수 있다.
또한, 코어 로드에는 추가 클래드가 부가되는데, 추가 클래드의 평균 OH 함유 농도는 추가 클래드의 적어도 내경의 150% 이내 부분에서 50ppm 이하로 된다. 이것은 상기 방법, 즉 유리 미립자를 코어 로드의 외주에 퇴적시킨 후에 탈수 및 투명 유리화 처리를 행하는 방법을 이용하면 용이하게 달성된다.
이하에서 실시예에 의거하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구의 범위 내에서 여러 가지 양태가 가능하다.
[실시예]
도 3은 본 발명의 OH기 함유량이 적은 광섬유용 유리 모재의 제조 공정의 일례를 나타내는 것으로, VAD법에 의해 코어 로드를 제조하는 경우의 공정 설명도이다.
코어용 버너(5) 및 클래드용 버너(6)에 유리 미립자 원료, 산소 및 수소를 공급하고, 유리 미립자 흐름(7)을 형성하여 코어 로드용 다공질 모재(8)를 제조한다. 또한, 코어용 버너(5)에는 굴절률 조정용 도펀트(dopant)를 동시에 흘려 굴절률이 높은 부분을 형성한다.
이 때, 상기 코어 로드용 다공질 모재(8)를 탈수 및 유리화하여 얻어지는 코어 로드(10)의 외경 및 코어 직경은 이것을 이용하여 제조되는 유리 모재를 드로잉하여 얻어지는 광섬유가, 상기 코어 로드 해당 부분의 외경 a와 파장 1385nm에서의 모드 필드 직경 m의 비가 3.75≤a/m≤6의 관계를 충족시키도록 제조된다.
도 3에서는 클래드용 버너(6)가 1개만 예시되어 있지만, 필요한 클래드의 양을 제공하기 위해 복수 개를 사용할 수도 있다. 코어용 버너(5)에 관해서도 통상적인 스테핑 디스크(stepping disk)형 이외에 계단형이나 세그먼트형 등의 복잡한 프로파일(profile)을 얻기 위해 복수 개 사용하는 경우가 있다.
이와 같이 하여 얻어진 코어 로드용 다공질 모재(8)를 가열로(9)에 통과시켜 염소 함유 분위기 하에 900∼1250℃에서 탈수 처리함으로써 코어 로드용 다공질 모재 중의 OH기를 제거한다. 탈수 처리가 끝난 코어 로드용 다공질 모재를 헬륨이 주성분인 분위기에서 1400℃ 이상으로 가열하여 유리화함으로써 투명한 코어 로드(10)가 얻어진다. 이 탈수 공정 및 투명 유리화 공정은 헬륨을 주성분으로 하는 염소 함유 분위기에서 1400℃ 이상으로 처리함으로써 동시에 행할 수도 있다.
코어 로드(10)를 유리 선반(旋盤)(11)에 장착하고 화염으로 가열하면서 소정의 직경으로 연신하여 외경이 조정된 코어 로드(12)를 얻는다.
다음에, 상기 코어 로드(12)의 외주에 유리 원료를 화염 가수분해하여 생성된 유리 미립자 흐름(13)을 뿜어 부착시켜 다공질 유리층(14)을 퇴적시킨다. 이 공정을 필요량의 클래드가 퇴적될 때까지 반복하여 광섬유용 다공질 모재(15)를 얻는다.
얻어진 다공질 모재(15)를 가열로(16) 내에 통과시켜 염소 함유 분위기 하에 900∼1250℃에서 탈수 처리하여 다공질 모재 중의 OH기를 제거한다. 탈수 처리가 끝난 코어 로드용 다공질 모재를 헬륨이 주성분인 분위기에서 1400℃ 이상으로 가열하여 유리화함으로써 투명한 코어 로드(10)가 얻어진다. 이 탈수 공정 및 투명 유리화 공정은 헬륨을 주성분으로 하는 염소 함유 분위기에서 1400℃ 이상으로 처리함으로써 동시에 행할 수도 있다.
상기 광섬유용 유리 모재를 통상적인 드로잉 장치를 이용하여 드로잉함으로써 파장 1385nm 근방의 OH 흡수 피크가 작은 광섬유가 얻어진다.
상기 방법을 이용하여, 외경이 125㎛이고, 파장 1385nm에서의 모드 필드 직경이 9.6㎛이며, 광섬유 내 코어 로드 해당 부분의 외경이 상이한 5종류의 스테핑 디스크형 단일 모드 섬유를 제조하고, 그 전송 손실을 평가한 결과를 표 1 및 도 4에 나타내고, 섬유 식별 번호(Fiber ID No.) 3의 전송 손실 스펙트럼을 도 5에 나 타냈다.
[표 1]

섬유
식별 번호
광섬유 중 코어 로드
해당 부분의 외경 a(㎛)
파장 1385nm의 모드
필드 직경 m (㎛)
a/m
OH 피크
(dB/km)
1 33.7 9.6 3.51 0.097
2 36.0 9.6 3.75 0.040
3 41.2 9.6 4.29 0.010
4 48.2 9.6 5.00 0.002
5 57.6 9.6 6.00 0.000

이들 결과로부터 명백한 바와 같이, OH 흡수 피크의 높이를 0.04dB/km 이하로 억제하기 위해서는 a/m≥3.75가 되도록 할 필요가 있다. a/m이 6.0이 되었을 때 OH 흡수 피크의 높이는 검출 한계에 도달하였다. 제조 비용면에서 보면, 클래드 부여 공정의 코스트가 코어 제조 공정에 비해 저렴하기 때문에 a/m이 작은 편이 바람직하고, 또 a/m＞6이 되도록 하면 코스트에 대한 효과면에서 유리하므로, 3.75≤a/m≤6가 바람직한 범위이다.
본 발명에 의하면 피오염층의 제거 공정을 필요로 하지 않고, OH 흡수 피크가 작은 광섬유를 보다 간단한 공정으로 비용이 적게 제조할 수 있다.

Claims (7)

  1. 코어부 및 클래드(clad)의 일부를 갖는 코어 로드를 제조하고, 상기 코어 로드(core rod)의 외주(外周)에 유리 미립자를 퇴적하여 추가 클래드를 형성하고, 얻어진 다공질 모재를 소결 및 투명 유리화 처리하는 광섬유용 유리 모재(母材)의 제조 방법에 있어서,
    상기 광섬유용 유리 모재를 드로잉(drawing)하여 얻어지는 광섬유가, 상기 코어 로드 해당 부분의 외경을 a라 하고 파장 1385nm에서의 모드 필드 직경을 m이라 할 때, a와 m의 비가 3.75≤a/m≤6의 관계를 충족시키도록 상기 코어 로드를 제조하는 것을 특징으로 하는 광섬유용 유리 모재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어 로드가 VAD, OVD, MCVD, PCVD 중 어느 하나의 방법을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유용 유리 모재의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코어 로드가 적어도 그 외경의 90% 이내인 부분에서 1ppb 이하의 평균 OH 함유 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유용 유리 모재의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 추가 클래드가 적어도 그 내경의 150% 이내의 부분에서 50ppm 이하의 평균 OH 함유 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유용 유리 모재의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항의 제조 방법을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유용 유리 모재.
  6. 제5항의 광섬유용 유리 모재를 가열 및 드로잉하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  7. 제6항에 있어서,
    파장 1385nm 근방에서의 광섬유의 전송 손실 스펙트럼에서, OH기에 기인하는 흡수 손실의 기여분(寄與分)이 0.04dB/km 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
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