KR101078516B1 - 광섬유 프리폼 제조 방법, 광섬유 프리폼 및 이와 관련된광섬유 - Google Patents

광섬유 프리폼 제조 방법, 광섬유 프리폼 및 이와 관련된광섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유, 광섬유 프리폼 및 1차 프리폼 상에서의 플라즈마에 의한 축적에 의하여 얻어지는 최종 광섬유 프리폼을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 VAD 증착 공정 또는 OVD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼(3), 1차 프리폼(3)을 둘러싸는 실리카 슬리브 튜브(4) 및 실리카 슬리브 튜브(4)를 둘러싸는 실리카 입자들로 만들어진 축적층(5)을 포함하는 최종 광섬유 프리폼에 관한 것이다.
광섬유, 프리폼, 실리카, 축적층, 증착, 플라즈마

Description

광섬유 프리폼 제조 방법, 광섬유 프리폼 및 이와 관련된 광섬유{PROCESS FOR PRODUCING AN OPTICAL-FIBRE PREFORM, OPTICAL-FIBRE PREFORM AND OPTICAL FIBRE ASSOCIATED THEREWITH}
도1은 본 발명에 따른 최종 프리폼의 개략적인 횡단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 코어
2: 클래딩
3: 1차 프리폼
4: 슬리브 튜브
5: 축적층
본 발명은 광섬유, 광섬유 프리폼, 및 1차 프리폼(primary preform) 상에서 플라즈마에 의한 축적(plasma built-up)을 수행함으로서 얻어지는 최종 광섬유 프리폼을 제조하는 방법의 분야에 관한 것이다.
1차 프리폼을 얻기 위한 몇몇 방법 계열들이 있다. 이하로 구분될 수 있다. 튜브 내부 상에 재료를 증착하는 것인 CVD(chemical vapour desposition, 화학 기상 증착) 유형의 튜브를 갖는 기술, 및 재료를 축방향으로 증착하는 것인 VAD(vapour axial deposition, 기상 축방향 증착) 유형 또는 맨드렐(mandrel) 외부 상에 재료를 증착하는 것인 OVD(outside vapour deposition, 외부 기상 증착) 유형의 무-튜브(tubeless) 기술. 본 발명은, 튜브를 가지고 1차 프리폼을 얻기 위한 튜브-기반 기술, 예를 들어 CVD 유형의 기술에 관한 것이 아니다. 본 발명은, 1차 프리폼을 얻기 위한 무-튜브 기술, 예를 들어 VAD 또는 OVD 유형의 기술에 관한 것이다.
미공개된 유럽 특허 출원 제1 388 525호는 적어도 코어 및 내부 클래드 층(clad layer)을 갖는 로드의 원주를 적어도 고점도 클래드 층으로 피복하는 단계와, 튜브를 가열하고 수축시킴으로써 또는 고점도 클래드 층을 형성하는 유리 입자를 증착하면서 유리 입자를 가열함으로써 로드와 튜브를 일체화시키는 단계를 포함하는 프리폼 제조 방법에 관한 것으로서, 이 가열 단계에서 플라즈마 화염이 사용된다.
미국 특허 공개 제2003/0140659 A1호에 따르면, 클래딩 튜브(cladding tube)는 클래딩 튜브 내에 동축 배열로 위치된 코어 로드 상에서 붕괴된다. 코어 로드와 클래딩 튜브 사이의 환상 간극을 향하는 표면들은 약 1,000℃ 온도에서의 염소 함유 대기에의 노출에 의해 세정되고 건조된다. 그 후, 전기로 내에서 2,150℃의 온도(노 온도)까지 조립체를 가열함으로써 클래딩 튜브는 용융 공정에서 코어 로드에 부착된다. 환상 간극은 수직으로 배열된 조립체의 점진적인 가열에 의하여 밀 폐되기 쉽다. 코어 로드 상으로 붕괴되면, 클래딩 튜브는 제2 클래딩 유리 층을 형성한다.
미국특허 제5,522,007호는 플라즈마 증착을 이용하여 광섬유 프리폼을 생성하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은
- 축적될 1차 프리폼 상에 플라즈마 토치(torch)에 의하여 축적용 실리카를 증착하는 단계와,
- 상기 1차 프리폼이 축적되어질 때 실질적으로 플라즈마 토치의 화염에서 제어 방식으로 상기 축적용 실리카 내로 수산기 이온(hydroxyl ion)을 주입하는 단계와,
- 축적용 실리카를 구성하기 위하여 실리카 입자를 이용하는 단계를 포함한다.
하나의 종래 기술에 따르면, 인발에 의해 광섬유가 얻어질 수 있게 하는 최종 광섬유 프리폼을 얻기 위하여, VAD 또는 OVD에 의하여 얻어진 1차 프리폼에는 매우 큰 두께 및 넓은 직경의 슬리브 튜브가 끼워진다. 이들 큰 슬리브 튜브의 가격 자체가 매우 높기 때문에 이러한 큰 슬리브 튜브를 이용한 슬리브 끼움 작업(sleeving operation)은 비용이 매우 많이 든다. 1차 프리폼을 플라즈마를 향하게 함으로써 천연 또는 합성 입자들을 가지고 최종 프리폼을 얻는 기술은 CVD에 의하여 얻어진 1차 프리폼의 경우에 잘 알려져 있다. 천연 또는 합성 입자들은 두꺼운 슬리브 튜브보다 실질적으로 덜 비싸기 때문에, 이는 슬리브 끼움 기술보다 훨씬 덜 비싸다.
출원인이 알고 있는 바로는, VAD 또는 OVD에 의하여 얻어진 1차 프리폼 상에서의 입자 축적에 의해 최종 광섬유 프리폼을 얻는 종래 기술은 존재하지 않는다.
이러한 최종 프리폼은 의심할 여지 없이, 1차 프리폼으로부터 최종 프리폼을 얻기 위하여 두꺼운 슬리브 튜브로 슬리브 끼움하는 대신에 입자 축적의 사용으로 인한 매력적인 제조 비용을 여전히 유지하면서, CVD 공정을 대신한 1차 프리폼을 얻기 위한 VAD 또는 OVD 공정의 사용에 기인하여 더욱 양호한 감쇠를 나타내는 광섬유를 얻는 것을 가능하게 할 것이다.
그러나, 이는 사실이 아니다. CVD에 의하여 얻어진 광섬유에 대한 양호한 감쇠가 0.195 dB/km에 대응한다면, VAD 또는 OVD 유형의 1차 프리폼 상에서의 천연 입자들의 플라즈마 축적의 사용은 얻어진 광섬유의 감쇠, 예를 들어 0.195 내지 0.190 dB/km에 이르기는 커녕 놀랍게도 반대로 0.210 dB/km로 증가시키는데, 즉 감쇠를 크게 열화시킬 것이다. CVD 경우에서 1차 프리폼과 입자 축적층 사이의 튜브의 본질적인 존재는 불순물에 대한 물리적인 장벽을 형성하며 마주보는 층 내에 함유된 불순물이 1차 프리폼 내로 확산되는 것을 방지하는 반면에, VAD 또는 마찬가지로 OVD 경우에서 이러한 동일한 튜브의 존재는 축적층으로부터 1차 프리폼으로의 불순물들의 실질적인 확산을 허용한다는 것이 알려져 왔다.
따라서, 슬리브 튜브의 외부 표면과 입자 축적층의 내부 표면 사이에 존재하는 물리적인 경계면에서 입자 축적층으로부터 오는 불순물의 어떠한 이동을 차단하기 위하여 VAD 또는 OVD에 의하여 얻어진 1차 프리폼과 입자 축적층 사이에 비교적 작은 두께의 슬리브 튜브를 위치시키는 개념이고, 이 경계면은 인발된 후 광섬유의 활성 코어에 대응하는 1차 프리폼을 향하여 입자 축적층으로부터 오는 불순물의 보유를 위한 우선적인 영역이다. 경계면은 최종 프리폼의 단계 및 경계면이 남아 있는 광섬유 단계에서 불순물 보유를 위한 우선적인 부분으로서 작용한다. 슬리브 튜브의 두께가 작을수록 입자 축적층은 비례하여 두꺼워지고 최종 프리폼과 광섬유의 제조 비용은 낮아진다.
그러나, 기계적인 특성들 때문에 슬리브 튜브는 그 이하에서는 너무 쉽게 부서지게 될 위험성이 있는 최소 두께를 유지해야만 한다. VAD 또는 OVD에 의하여 얻어진 1차 프리폼과 입자 축적층 사이로 비교적 얇은 슬리브 튜브를 삽입하는 사실은, 이후에 얻어진 광섬유들에 관하여, VAD 또는 OVD 공정들의 본질적인 고유한 양호한 감쇠 특성뿐만 아니라 입자에 의한 플라즈마 축적 공정의 본질적인 비교적 낮은 제조 비용을 유지하는 것을 가능하게 한다. 프리폼 제조 방법은 1차 프리폼과 입자 축적층 사이로 슬리브 튜브를 삽입하는 부가적인 단계를 포함하나, 이 부가적인 단계에 관련된 별도의 비용은 1차 프리폼으로부터의 최종 프리폼 생산 동안에 두꺼운 슬리브 튜브를 입자로 대체함으로서 얻어지는 이득에 의하여 대부분 보상된다고 판명되었다. VAD 또는 OVD에 의하여 얻어진 1차 프리폼과 입자 축적층 사이에 삽입된 얇은 슬리브 튜브는 상당히 순수한 실리카, 예를 들어 불순물을 함유하지 않지만 가능하게는 도펀트(dopant)를 함유한 실리카로 만들어지도록 선택된다 - 예를 들어 이는 CVD 증착 공정들에서 사용된 튜브와 동일한 유형이다.
본 발명은, VAD 1차 프리폼 제조 공정 및 OVD 1차 프리폼 제조 공정 모두의 경우에서, 1차 프리폼으로부터 최종 프리폼을 얻기 위한 방법, 그로부터 얻어진 최종 프리폼, 및 최종 프리폼을 섬유 인발함에 의하여 얻어진 광섬유에 관한 것이다.
본 발명은 VAD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼을 제조하는 단계와, 실리카 슬리브 튜브를 이용하여 1차 프리폼을 슬리브 끼움함으로서 얻어진 슬리브 끼움된 1차 프리폼을 제조하는 단계와, 슬리브 끼움된 1차 프리폼에 실리카 입자들을 축적하는 것에 의해 얻어진 최종 광섬유 프리폼을 제조하는 단계를 연속적으로 포함하는 최종 광섬유 프리폼 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 OVD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼을 제조하는 단계와, 실리카 슬리브 튜브를 이용하여 1차 프리폼을 슬리브 끼움함으로써 얻어진 슬리브 끼움된 1차 프리폼을 제조하는 단계와, 슬리브 끼움된 1차 프리폼에 실리카 입자들을 축적하는 것에 의해 얻어진 최종 광섬유 프리폼을 제조하는 단계를 연속적으로 포함하는 최종 광섬유 프리폼 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한,
- VAD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼과
- 1차 프리폼을 둘러싸는 실리카 슬리브 튜브와,
- 실리카 슬리브 튜브를 둘러싸는 실리카 입자들로 만들어진 축적층을 포함하는 최종 광섬유 프리폼을 제공한다.
본 발명은 또한,
- OVD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼과,
- 1차 프리폼을 둘러싸는 실리카 슬리브 튜브와,
- 실리카 슬리브 튜브를 둘러싸는 실리카 입자들로 만들어진 축적층을 포함하는 최종 광섬유 프리폼을 제공한다.
예를 위하여 주어진 아래의 설명 및 첨부된 도면으로부터 본 발명은 보다 명확하게 이해될 것이며 다른 특징들과 이점들이 명백해질 것이다.
최종 프리폼의 광학 코어(1)가 중심에 위치한다. 광학 코어(1)는 VAD 또는 OVD에 의하여 얻어진다. 광학 코어(1)는 광학 클래딩(2)으로 둘러싸여진다. 광학 클래딩(2)은 VAD 또는 OVD에 의하여 얻어진다. 광학 클래딩(2)은 광학 코어(1)와 접촉 상태에 있다. 광학 코어(1)와 광학 클래딩(2)은 함께 1차 프리폼(3)을 형성한다. 광학 클래딩(2)과 1차 프리폼(3)은 얇은 슬리브 튜브(4)에 둘러 싸여 있으며, 이 튜브와 접촉 상태에 있다. 슬리브 튜브(4)는 VAD 또는 OVD에 의하여 얻어진 1차 프리폼을 슬리브 끼움(sleeving)하기 위하여 일반적으로 사용된 두꺼운 슬리브 튜브와 비교하여 작은 두께를 갖는다 - 따라서 이 두께는 더 작으며, 바람직하게는 실질적으로 더욱 작다. 슬리브 튜브(4)는 순수 실리카, 예를 들어 불순물을 함유하지 않은 실리카로 제조된다. 이 순수 실리카는 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있으며, 바람직하게는 합성 실리카이다. 슬리브 튜브(4)는 실리카 입자들로 만들어진 축적층(5)으로 둘러싸여져 있으며 이 축적층과 접촉 상태에 있다. 축적층(5)은 균질할 수 있거나, 광섬유의 유형에 따라 다른 입자들, 특히 다른 품질의 다수의 축적 서브층들로 구성될 수 있는데, 가장 낮은 품질이 최외곽이 된다. 요구되는 유형의 광섬유 프로파일에 따라 실리카 입자들은 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. 실리카 입자들은 천연 또는 합성 실리카일 수 있다. 천연 실리카 입자들은 합성 실리카 입자들보다 저가이나 품질이 낮다. 그러나, 본 발명과 관련한 유형의 최종 프리폼에 대해서는, 합성 입자들은 섬유 인발(fibre-drawing)을 보다 어렵게 한다 - 이는 천연 입자들, 예를 들어 석영 입자들이 바람직한 이유이다. 광학 코어(1)는 외부 반경(a) 및 외부 직경(2a)을 갖는다. 광학 클래딩(2)은 외부 반경(b) 및 외부 직경(2b)을 갖는다. 1차 프리폼(3)은 외부 반경(b) 및 외부 직경(2b)을 갖는다. 슬리브 튜브(4)는 외부 반경(c) 및 외부 직경(2c)을 갖는다. 균일한 층, 또는 서로 상이한, 가능하게는 서로 다른 실리카 입자들로 이루어질 수 있는 다수의 서브층들로 이루어진 축적층(5)은 두께(f)를 가지면서 외부 반경(d) 및 외부 직경(2d)을 갖는다. 슬리브 튜브(4)는 두께(e)를 갖는다. 1차 프리폼의 외부 직경은 예를 들어 약 30mm이다. 광학 코어(1)의 직경(2a)에 대한 축적층(5)의 외부 직경(2d)(이는 또한 최종 프리폼의 외부 직경(2d)이다)의 비율은 예를 들어 약 14이다.
최종 프리폼 인발 공정이 비교적 높은 노 온도를 갖고 진행될 때, 불순물의 확산이 촉진되는데, 본 발명에 따른 공정은 불순물의 이러한 확산을 방지하기 때문에 더욱 유리하다. 헬륨만의 사용의 반대의 경우로서, 더 고가인 예를 들어 50% 헬륨/50% 아르곤 혼합물의 경우로서 노 내에 있는 가스 상태의 유체가 더 낮은 열 전도도를 가질 때 노의 온도는 더 높아질 것이다. 본 발명은 일반적으로 저비용 공정에서 결과적으로 특히 유리하다.
양호한 기계적인 강도 특성을 유지하기 위하여 바람직하게는 슬리브 튜브(4) 는 적어도 1.5mm의 두께(e)를 갖는다.
최종 프리폼의 제조 비용, 및 최종 프리폼의 인발에 의하여 얻어진 광섬유의 제조 비용을 줄이기 위하여 최종 프리폼은 이하의 특성들 중 하나 이상의 특성을 갖는다. 바람직하게는, 슬리브 튜브(4)의 외부 직경(2c)은 1차 프리폼(3)의 외부 직경(2b)의 최대 1.5배이다. 바람직하게는, 슬리브 튜브(4)의 두께(e)는 최대 3mm이다. 동일한 목적을 위하여 축적층(5)은 이하의 특성들 중 하나 및/또는 기타 특성을 갖는다. 바람직하게는, 축적층(5)의 외부 직경(2d)은 광학 코어(1)의 외부 직경(2a)의 10배보다 크다. 바람직하게는, 축적층(5)의 두께(f)는 적어도 1차 프리폼(3)의 외부 직경(2b)과 동일하다.
최종 프리폼의 제조 비용과 기계적인 특성들 사이의 절충을 최적화하기 위하여 최종 프리폼은 이하의 특성들 중 하나 및/또는 기타 특성을 갖는다. 바람직하게는, 슬리브 튜브(4)의 두께(e)는 1차 프리폼(3)의 외부 직경(2b)의 5% 내지 12%이다. 바람직하게는, 슬리브 튜브(4)의 외부 직경(2c)은 광학 코어(1)의 외부 직경(2a)의 4.5 내지 5.5배이다.
바람직하게는 최종 프리폼의 슬리브 튜브(4)는 축적층(5)으로부터 1차 프리폼(3)으로의 불순물들의 확산에 대한 충분한 장벽을 형성하며, 따라서 최종 프리폼을 섬유 인발함으로써 얻어진 광섬유의 감쇠는 최대 0.200 db/km, 바람직하게는 최대 0.195 db/km, 그리고 유리하게는 최대 0.190 db/km이다.
본 발명에 따른 최종 프리폼을 섬유 인발으로써 얻어진 본 발명에 따른 광섬유들은 바람직하게는 저비용 장거리 통신 시스템일 수 있는 저비용 통신 시스템 또 는 저비용 도시 통신 시스템에서 사용된다. 여기서 "장거리"는 전형적으로 수백 내지 수천 킬로미터 범위의 거리를 의미하며, "도시"는 중간 거리, 예를 들어 수 킬로미터 내지 수십 킬로미터를 의미한다.
본 발명에 따르면, VAD 1차 프리폼 제조 공정 및 OVD 1차 프리폼 제조 공정 모두의 경우에서, 저비용으로 양호한 감쇠 특성을 갖는 1차 프리폼으로부터 최종 프리폼을 얻기 위한 방법, 그로부터 얻어진 최종 프리폼, 및 최종 프리폼을 섬유 인발함에 의하여 얻어진 광섬유를 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 최종 광섬유 프리폼 제조 방법이며,
    VAD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼(3)을 제조하는 단계와,
    실리카 슬리브 튜브(4)를 이용하여 1차 프리폼(3)을 슬리브 끼움함으로서 얻어진 슬리브 끼움된 1차 프리폼을 제조하는 단계와,
    슬리브 끼움된 1차 프리폼에 실리카 입자들을 축적하는 것에 의해 얻어진 최종 광섬유 프리폼을 제조하는 단계를 연속적으로 포함하는 최종 광섬유 프리폼 제조 방법.
  2. 최종 광섬유 프리폼 제조 방법이며,
    OVD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼(3)을 제조하는 단계와,
    실리카 슬리브 튜브(4)를 이용하여 1차 프리폼(3)을 슬리브 끼움함으로써 얻어진 슬리브 끼움된 1차 프리폼을 제조하는 단계와,
    슬리브 끼움된 1차 프리폼에 실리카 입자들을 축적하는 것에 의해 얻어진 최종 광섬유 프리폼을 제조하는 단계를 연속적으로 포함하는 최종 광섬유 프리폼 제조 방법.
  3. VAD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼(3)과,
    1차 프리폼(3)을 둘러싸는 실리카 슬리브 튜브(4)와,
    실리카 슬리브 튜브(4)를 둘러싸는 실리카 입자들로 만들어진 축적층(5)을 포함하는 최종 광섬유 프리폼.
  4. OVD 증착 공정에 의하여 얻어진 1차 프리폼(3)과,
    1차 프리폼(3)을 둘러싸는 실리카 슬리브 튜브(4)와,
    실리카 슬리브 튜브(4)를 둘러싸는 실리카 입자들로 만들어진 축적층(5)을 포함하는 최종 광섬유 프리폼.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 슬리브 튜브(4)의 외부 직경(2c)은 1차 프리폼(3)의 외부 직경(2b)의 최대 1.5배인 최종 광섬유 프리폼.
  6. 제5항에 있어서, 슬리브 튜브(4)의 두께(e)는 1차 프리폼(3)의 외부 직경(2b)의 5 내지 12%인 최종 광섬유 프리폼.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서, 슬리브 튜브(4)의 두께(e)는 적어도 1.5mm인 최종 광섬유 프리폼.
  8. 제3항 또는 제4항에 있어서, 슬리브 튜브(4)의 두께(e)는 최대 3mm인 최종 광섬유 프리폼.
  9. 제3항 또는 제4항에 있어서, 1차 프리폼(3)은 광학 코어(1) 및 광학 클래딩(2)을 갖고 있으며, 슬리브 튜브(4)의 외부 직경(2c)은 광학 코어(1)의 외부 직경(2a)의 4.5 내지 5.5배인 최종 광섬유 프리폼.
  10. 제3항 또는 제4항에 있어서, 1차 프리폼(3)은 광학 코어(1) 및 광학 클래딩(2)을 갖고 있으며, 축적층(5)의 외부 직경(2d)은 광학 코어(1)의 외부 직경(2a)의 10배보다 큰 최종 광섬유 프리폼.
  11. 제3항 또는 제4항에 있어서, 축적층(5)의 두께(f)는 1차 프리폼(3)의 외부 직경(2b)과 적어도 동일한 최종 광섬유 프리폼.
  12. 제3항 또는 제4항에 있어서, 실리카 입자들은 천연 실리카 입자들인 최종 광섬유 프리폼.
  13. 제3항 또는 제4항에 있어서, 실리카 입자들은 합성 실리카 입자들인 최종 광섬유 프리폼.
  14. 제3항 또는 제4항에 따른 최종 프리폼을 섬유 인발함으로써 얻어지는 광섬유이며,
    최종 프리폼의 슬리브 튜브(4)는 축적층(5)으로부터 1차 프리폼(3) 내로의 불순물들의 확산에 대한 충분한 장벽을 형성하여, 상기 최종 프리폼을 섬유-인발함으로써 얻어지는 상기 광섬유의 감쇠는 최대 0.200 dB/km인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  15. 제3항 또는 제4항에 따른 최종 프리폼을 섬유 인발함으로써 얻어지는 광섬유이며,
    최종 프리폼의 슬리브 튜브(4)는 축적층(5)으로부터 1차 프리폼(3) 내로의 불순물들의 확산에 대한 충분한 장벽을 형성하여, 상기 최종 프리폼을 섬유-인발함으로써 얻어지는 상기 광섬유의 감쇠는 최대 0.195 dB/km인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  16. 제3항 또는 제4항에 따른 최종 프리폼을 섬유 인발함으로써 얻어지는 광섬유로서,
    최종 프리폼의 슬리브 튜브(4)는 축적층(5)으로부터 1차 프리폼(3) 내로의 불순물들의 확산에 대한 충분한 장벽을 형성하여, 상기 최종 프리폼을 섬유-인발함으로써 얻어지는 상기 광섬유의 감쇠는 최대 0.190 dB/km인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  17. 제14항에 따른 광섬유를 포함한 저비용 장거리 통신 시스템.
  18. 제14항에 따른 광섬유를 포함한 저비용 도시 통신 시스템.
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