KR101140458B1

KR101140458B1 - 광섬유와 그 프리폼 및 그 제조방법과 장치

Info

Publication number: KR101140458B1
Application number: KR1020067022559A
Authority: KR
Inventors: 칼로스 페드리도
Original assignee: 실리텍 피버스 에스에이
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2012-04-30
Also published as: US8033142B2; KR20070018061A; US20070220924A1

Abstract

본 발명은 광섬유 제조방법에 관한 것으로, 제 1 주축(x1)과 외측면(111)을 갖는 일차 광섬유 프리폼(11)을, 제 2 주축(x2)과 내측면(120)을 갖는 오버클래딩 튜브(12)속에 삽입하여 상기 외측면(111)과 내측면(120)이 내부 공간(15)을 형성하도록 하는 단계; 상기 제 1 및 제 2 주축(x1, x2)들이 서로 사실상 일직선으로 정렬되게 오버클래딩 튜브(12)속에서 일차 프리폼(11)을 중심에 삽입된 위치에서 유지하는 단계; 오버클래딩 튜브(12)의 하단부에서 폐쇄부(125)로 밀봉된 내부 공간(15)속에 오버클래딩 입자(13)들을 공급하는 단계; 오버클래딩 튜브(12)와 일차 광섬유 프리폼(11)을 제위치에 유지시키는 접합부(3)에 의해 오버클래딩 튜브(12)의 상단부에서 제한된 밀봉된 내부 공간(15)에 감압 상태를 생성시키는 단계; 일차 프리폼(11)과, 오버클래딩 튜브(12) 및 오버클래딩 입자(13)들로 구성된 미처리된 이차 프리폼(1)을, 하단부에서 연화 상태로 되도록 노(23)에 의해 가열함과 동시에 하단부로부터 광섬유(5)를 인발하거나; 일차 프리폼(11)과, 오버클래딩 튜브(12) 및 오버클래딩 입자(13)들로 구성되는 미처리된 이차 프리폼(1)을 그 전체 길이에 걸쳐 처리된 이차 프리폼(1)을 얻도록 노(23)에 의해 가열하고, 후속적인 처리단계에서 광섬유(5)를 인발하는 단계를 포함하여 구성된다.

광섬유 제조방법, 광섬유 제조장치

Description

광섬유와 그 프리폼 및 그 제조방법과 장치{OPTICAL FIBER AND ITS PREFORM AS WELL AS METHOD AND APPARATUS FOR FABRICATING THEM}

본 발명은 포토닉 결정(結晶) 섬유(photonic crystal fiber)와 같은 광섬유를 제조하는 방법과 장치 및 그러한 방법에 따라 제조된 광섬유(optical fiber)와 함께 광섬유를 제조하는데 사용되는 프리폼(preform)에 관한 것이다.

현재 초고속 데이타 통신 네트웍에 사용되는 광섬유의 제조는 문헌(1) Mool C. Gupta의 PHOTONICS, CRC Press 핸드북, 1007 Boca Raton, 10.7장, 445-449면에 기술되어 있다. 광섬유 제조의 주요 공정 단계는 유리 블랭크(이하에서는 프리폼이라 함)를 제조하는 단계와, 그 프리폼으로부터 섬유를 인발(연신)하고, 그 광섬유를 취급 및 환경적 영향으로부터 보호하는 재료로 코팅하는 것을 포함한다.

상기 문헌(1)에 따라, 프리폼을 형성하기 위하여 기본적으로 세가지 방법들, 즉 변성 화학적 증착공정(MCVD), 외측면 증착공정(OVD), 축방향 증착공정(VAD)이 있다.

인발공정에서, 프리폼은 위에서 부터 노의 인발부 속으로 공급되면서 트랙터를 사용하여 노의 바닥으로부터 인발된다. 그러한 광섬유는 인장강도를 모니터링 하면서 드럼에 권취된다. 인발중의 온도는 2000℃ 정도이다. 광섬유가 노에서 나온 다음 드럼에 권취되기 전에 자외선 경화 코팅 재료로 코팅된다.

문헌(2), U.S. 6,519,974 B1에 기재된 바와같이, 변성 화학적 증착 방법은 다른 방법들에 비하여 잇점을 갖고 있다. 변성 화학적 증착방법에서, SiO₂와 게르마니아, 포스포러스 및 플루오르를 포함하는 도판트(dopant)의 연속 층은, 1800℃ 정도의 온도에서 산소와 염화물 증기를 혼합함으로써 융합된 실리카 튜브의 내측에 증착된다. 층들의 증착에서, 클래딩(피복)층들이 먼저 증착되고, 그런 다음 코어를 형성하는 층이 증착된다. 층들을 증착한 다음, 내면적으로 층들로 된 석영 튜브를 염소와 헬륨의 존재하에 가열하여 치밀한 석영 로드를 형성한다.

문헌(2)에 기술된 바와같이, 변성 화학적 증착방법은 직경이 25mm 보다 큰 프리폼을 만드는데 적합하지 않는 고유의 제약을 갖는다. 이러한 제약을 극복하기 위하여, 변성 화학적 증착 방법은 소위 오버클래딩법으로 실시되며, 이 방법은 비교적 큰 프리폼을 제조할 수 있도록 허용함으로써 광섬유 제조공정에서 생산성을 향상시켜준다. 종래의 오버클래딩법은 일반적으로 로드 형태의 프리폼을 적당한 오버클래딩 재료로 만들어진 튜브 내측에 배치하고, 2차 프리폼을 형성하도록 튜브와 로드를 융합하며, 클래딩 층속에 둘러싸인 코어로 구성되는 광섬유를 2차 프리폼으로부터 인발하는 공정들을 포함한다. 고생산성을 위한 변성 화학적 증착방법은 기본적인 세가지 단계들, 즉 내부 증착에 의한 일차 광섬유 프리폼을 준비하는 단계, 그 일차 광섬유 프리폼을 오버클래딩하여 2차 광섬유 프리폼을 얻는 단계, 최종적으로 2차 광섬유 프리폼으로부터 광섬유를 인발하는 단계들을 포함한다.

문헌(2)에서, 이러한 세가지 단계들의 수행은 각각 아래 조건들을 필요로 한다.

(a) 생산성에 부정적인 효과를 주는 상당한 시간의 필요;

(b) 일차 광섬유 프리폼을 오버클래딩하는 단계를 위하여 상당량의 산소 또는 수소;

(c) 일차 광섬유 프리폼이 비교적 많은 양일 경우, 오버클래딩 단계를 위하여 상당히 많은 양의 열을 가함.

이러한 문제점들을 극복하기 위하여, 오버클래딩과 인발 단계들을 결합하는 것이 문헌(3) 미국 특허 제2,980,957호에서 제안되었다. 문헌(3)에 개시된 방법은 코어 로드와, 이에 동심원적으로 배치된 오버클래딩 튜브 사이에 인발 단계전에 고진공 상태를 형성하고, 인발력에 조절가능하게 반대작용을 하는 낮은 진공 상태를 조절하여 관형의 부재가 코어 로드와 오버클래딩 튜브 사이의 공간 속으로 점진적으로 중첩되도록 하는 단계들을 포함한다(본 명세서에 중첩 또는 붕괴라는 표현은 오그라들어서 내측의 요소들과 합쳐지는 것을 의미함). 융합과 인발 단계들을 결합하는데 있어서의 한가지 문제점은 최종의 광섬유가 통신장치로 충분한 강도와 광학적 품질을 가질 수 있을 정도의 충분한 정밀도로 진공 상태의 적용을 조절해야 하는 것이다.

문헌(2)에 개시된 다른 특징은 코어 로드와 오버 클래딩 튜브의 적절한 정렬이다. 문헌(4)의 미국 특허 제4,820,322호에는, 오버클래딩 튜브의 중첩을 촉진하도록 진공을 사용하여 동심원적으로 배치되는 코어와 클래딩을 갖는 강한 광섬유의 제조할 수 있도록 하며, 광섬유를 인발과 결합된 연속적 공정 또는 여러 제조 단계로 실시될 수 있는 방법이 개시되어 있다. 문헌(2)에 개시된 바와같이, 문헌(4)에 개시된 방법은 로드와 오버클래딩 튜브 사이의 틈새에 대한 제약; 튜브 내경이 어 느 정도 크기 이상의 로드 직경을 초과할 수 없는 제약을 갖는다. 더욱이, 튜브를 중첩시키는 단계와 광섬유를 인발하는 단계를 결합하는 예는 로드를 튜브내 중심 위치에 배치하기 위한 확실한 수단을 사용하지 않고, 로드와 튜브 프리폼의 팁으로부터 광섬유가 인발될 때 제공되어지는 것으로 생각되는 요소들이 스스로 중심을 잡는 힘에 의한 동심원성에 의존한다.

상기한 기술을 발전시키도록 문헌(2)에서 로드와 오버클래딩 튜브를 동시에 융합시키면서 로드와 튜브의 프리폼으로부터 광섬유를 인발하는 방법이 제안되었다. 이러한 튜브내 로드 방법은 압력차의 미세 조정을 허용하는 낮은 세기의 진공발생수단을 이용한다. 상기 방법은 또한 인발되는 광섬유에 요구되는 원주방향으로 균일한 클래딩 층이 확실하게 형성되도록 코어 로드와 오버클래딩 튜브의 제어된 정렬을 제공한다. 낮은 세기의 진공은, 제 1의 주축과 외측면을 갖는 일차 광섬유 프리폼과, 이차 프리폼 조립체로서 함께 동심원적으로 정렬되며 내부 공간을 형성하는 내측면과 제 2의 주축을 갖는 오버 클래딩 튜브를 인접되게 유지시키는 접합부속으로 가스 흐름을 도입시킴으로써 달성된다. 통로를 통한 접합부로의 가스 흐름은 베르누이의 이론에 따라 압력 감소 상태를 발생시킴으로써 오버 클래딩 튜브와 일차 광섬유 프리폼 사이의 공간을 부분적으로 진공화시키게 된다. 통로를 통한 가스의 유속은 공간내의 가스압력이 감소되는 범위를 결정하게 된다.

문헌(2)에 따른 로드-앤드-튜브법의 실현에 대한 주요 구성은 정밀하게 제어된 진공의 적용과 정렬 공정에 초점이 있다. 그러나, 이러한 공지의 주요 구성외에도, 로드-앤드-튜브 프리폼으로부터 고품질의 광섬유 생산을 위한 비용이 주요 관심사다.

그러므로, 로드-앤드-튜브의 프리폼으로부터 고품질의 광섬유를 제조할 수 있는 개선된 방법과 장치를 제공하는 것이 요망된다.

상당히 감소된 비용으로 로드-앤드-튜브 프리폼으로부터 고품질의 광섬유를 제조할 수 있는 방법의 제공이 요망된다.

또한, 순차적 또는 동시적으로 프리폼의 융합과 광섬유 인발을 위하여 진공 상태를 제어하는 정밀도에 대한 요건을 완화시킴과 함께, 로드-앤드-튜브 프리폼으로부터 로드와 튜브 정렬에 있어 정밀도의 필요성을 저감하는 방법의 제공이 요망된다.

또한, 로드-앤드-튜브 프리폼으로부터 고품질의 광섬유 인발과 함께 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 로드-앤드-튜브 프리폼을 생성하는 것이 요망된다.

감소된 노력으로 로드-앤드-튜브 프리폼으로부터 인발된 광섬유의 특성을 변화시킬 수 있는 로드-앤드-튜브 프리폼을 생성하는 것이 요망된다.

그러나, "단일의 로드와 단일의 튜브"의 프리폼으로부터 도출되는 전통적인 광섬유 외에도, 최근 수년간 출현된 소위 포토닉 결정 섬유(PCF)는 광을 가이드하는 신기술에 의존한다.

문헌(8), 미국 특허 제6,845,204호에는, 전통적인 웨이브가이드(導波路)는 전반사로서 알려진 물리적 효과를 통하여 전자장(광 또는 광자)을 가이드함으로써 동작한다. 이러한 기본적인 효과를 사용함으로써, 웨이브가이드 축에 직각 방향에서의 광 세기의 전달(또는 손실)이 감소된다. (광섬유의) 유전재료 또는 (집속광의) 반도체로부터 제조되는 이러한 웨이브가이드들에서 전반사를 얻기 위하여, 둘레를 에워싸는 클래딩의 반사율과 비교하여 더 높은 굴절률의 코어를 사용하는 것이 필요하다.

그러나, 과거 수십년간, 새로운 재료의 개발로 소위 포토닉 밴드갭(PBG) 효과를 적용함으로써 웨이브 가이드 또는 공동(空洞)에서의 전자기장의 제어 또는 광의 국소화의 가능성이 열려졌다. 이러한 포토닉 밴드갭 효과는 공간적으로 주기적인 격자구조를 제공함으로써 나타나며, 그러한 격자 구조의 크기와 적용 재료는 전자기장 확대가 특정 방향으로 그리고 특정 주파수 간격의 갭에서 억제되도록 선택된다.

포토닉 결정의 주기성을 국부적으로 파괴함으로써, 주변 포토닉 결정과 다른 광학적 특성을 갖는 영역이 생성될 수 있다. 그러한 결손 영역에 의해 완전한 주기성 결정의 금지 갭내로 들어가는 주파수를 갖는 모드(mode)를 지지하는 경우, 이러한 모드들은 그 결함부에 상당히 갇혀지게 될 것이다. 이것은 PBG 가이드 섬유의 동작이 신뢰하는 원리, 즉 완전히 벗어난 평면 2차원 밴드갭이 포토닉 결정 클래딩과 정확하게 디자인된 결함에 의해 나타나며, 매우 강한 횡방향의 제한이 얻어질 수 있는 공간 영역을 형성한다. 이러한 결함 영역이 전체 주변의 주기적 구조와 다른 광학적 특성을 나타내기 위하여 (즉, 국소화된 모드를 지지할 수 있는), 통상적으로 포토닉 결정 섬유의 코어인 결함 영역이 그 주변 보다 반드시 더 높은 굴절률을 가져야 할 필요가 없다는 것이 중요하다. 그러므로, 포토닉 결정 섬유는 중공의 코어나 비중공 코어를 포함할 수 있다.

종래의 광섬유와 비교하여, 포토닉 결정 섬유는 복합구조를 갖는다. 포토닉 결정 섬유는 길이방향으로 연장된 코어 영역과, 길이방향으로 연장된 클래딩 영역을 가지며, 상기 클래딩 영역은 웨이브 가이드의 길이방향으로 연장된 중심축을 각각 갖는 일차의 길다란 구조 요소를 포함하는 사실상 이차원적으로 주기적인 구조를 갖는다. 상기 일차 구조 요소들은 길다란 구조 요소들에 인접한 어떤 재료의 굴절율 보다 더 낮은 굴절률을 갖는다.

그러므로, 클래딩은 웨이브가이드 축을 중심으로 한 코어를 둘러싼 절연 한계 영역을 형성한다. 밴드갭 효과에 근거하여, 한계 영역은 웨이브 가이드 축을 따라 제 1 범위의 주파수로 전자 방사를 가이드한다. 따라서 광은 전혀 반사되지 않고, 광에 대한 절연체와 같은 작용을 하는 클래딩에 의해 금지된 밴드갭 효과에 의해 코어에 갇히게 된다.

주기적인 구조는 적어도 한 종류의 길다란 구조적인 요소들을 포함하며, 그 요소들은 필요한 크기를 갖는 하나의 필요한 밴드갭 또는 복수의 밴드갭을 얻도록 여러 방법으로 형성될 수 있다.

기하학적 형상과 크기와 함께 굴절율은 일차, 이차 또는 더 많은 길다란 구조 요소들에 있어서 서로 다르다.

또한, 문헌(9) 미국 특허 제 6,625,364호에 따르면, 큰 코어 반경을 갖는 (예를들어 가이드되는 방사광의 파장 길이의 2배 보다 더 긴) 포토닉 결정 섬유는 많은 특성을 나타낸다. 예를들어, 포토닉 결정 섬유에서 가이드되는 모드에 대한 코어 외측의 에너지 분율은 코어 반경의 3제곱의 역의 크기를 갖는다. 따라서, 절연 제한층과 관련한 방사 및 분산 손실은 코어 반경을 증가시킴으로써 매우 작게 할 수 있다. 더욱이, 제한 메카니즘은 전체적인 내부 반사율(TIR:total internal reflection)에 기초하지 않기 때문에, 코어 재료는 비교적 높은 반사율을 갖는 재료로 제한되지 않는다. 따라서, 코어 재료는 손실과 비선형성을 최소화하도록 선택된다. 예를들어, 광섬유는 중공의 코어를 가질 수 있다. 또한, 코어에서의 제한은 코어의 외측 층들(또는 영역들)이 대조적인 큰 굴절율을 갖도록 재료를 선택함으로써 더 개선된다. 그러한 대조적인 굴절률이 가능한 것은 큰 코어 반경이 외측층(또는 영역)에 의한 분산이 덜 이루어지게 하기 때문이며, 따라서 외측층(또는 영역)의 구성 재료는 광의 흡수 손실 보다는 필요한 굴절율 대조를 제공하는데 근거하여 선택될 수 있다.

결론적으로, 제조자에 있어서, 복합구조를 갖는 프리폼을 최소의 노력과 비용으로 형성할 수 있고, 더 최적화된 구조 또는 복수의 코어 구조도 계획할 수 있게 된다.

특히, 복합구조에 있어서, 밴드갭 구배를 피하기 위하여 필요한 길다란 빈 공간들을 정밀하게 실현하는 한편, 불필요한 빈 공간을 피하는 것이 중요하다.(문헌(10), 미국 특허 제6,698,249)

오늘날, 일부 프리폼들은 수작업으로 수백개의 모세관 튜브들과 로드들을 적합한 패턴의 홀들을 갖는 구조로 적층시킴으로써 만들어진다. 중공의 코어는 하나 또는 보다 많은 모세관 튜브들을 상당히 더 큰 직경의 중공 튜브로 대체함으로써 형성된다. 이러한 프리폼은 광섬유 인발용 노속에 넣어지고 거기서 융합되어 1-10mm 크기로 인발된다. 그리고 최종 크기로 인발되기전에 슬리브 튜브가 부가된다. 크리스탈 파이버사가 이용하고 있는 이 방법에서는 보다 큰 프리폼 생산에 상당한 노력이 수반된다.

저 반사율 가이드 특성의 기본적인 요소인 PBG 효과가 클래딩 구조의 주기성에 의해 얻어지기 때문에, 전자기장을 한정하기 위하여 매우 제한된 수의 주기만을 필요로 하며, 문헌(8)에 따라 주기성을 포함하는 프리폼의 일부분을 통상적인 클래딩을 사용하는 것이 가능하게 될 것이다. 그러므로, 예를들어 슬리브 처리와 같은 공지의 클래딩 기술이 적용될 수 있다.

통상의 클래딩 방법에 대한 변형예로서, 문헌(8)에는 다른 방법을 제시하고 있으며, 모세관 튜브들이 위치고정되어야 하는 주기적인 영역의 외측에, (외측 클래딩 영역에 대응하는) 외측 섬유 구조를 보다 가느다란 유리질 로드를 기계적으로 흔들어 팩킹함으로써 형성할 수 있다.

그런 다음 프리폼을 광섬유로 인발할 때, 외측의 클래딩 구조는 함께 용융되어 고형체의 외측 클래딩을 형성한다. 얇은 유리질 로드의 외측의 배치에 대한 요건은 광섬유의 주기적인 부분 외측에서 불균일한 분산으로 인한 표면장력으로 주기성을 상당히 변형시키지 않도록 하는 것이다. 그러나, 복합구조에 있어서 미세한 모세관 튜브들을 기계적으로 흔드는 것은 튜브들을 파손시킬 위험이 있고 주기적인구조를 방해하거나 빈 공간이 개방된 채로 남게 되는 문제가 있다.

새로운 기능을 갖는 포토닉 결정 광섬유들은 특정 도프 재료 또는 광섬유 기본 재료(예를들어 유리 또는 폴리머)들과 상당히 다른 재료들을 광섬유내의 영역에 도입시킴으로써 제조될 수 있기 때문에, 제조 공정은 근접하게 팩킹되고 주기적인 기반의 재료 구조의 정밀하게 정의된 장소에 도프 재료 (또는 다른 재료)의 가느다란 로드들을 도입시키는 것을 포함한다. 변형적으로, 일부의 모세관 튜브들은 도판트 재료로부터 만들거나, 또는 프리폼(또는 그 일부분)을 기본 재료의 로드와 튜브들에 결합하거나 확산시킬 수 있는 재료의 용액에 배치될 수 있다. 프리폼의 특정 부분은 적층 또는 다른 처리를 수행하기 전에 독립적으로 처리될 수 있기 때문에, 이러한 방법은 매우 높은 정도의 유연성을 허용한다.

그러므로, 프리폼으로부터 고품질의 포토닉 결정 섬유를 제조할 수 있는 개선된 방법과 장치가 요망된다.

또한, 포토닉 결정 섬유용의 프리폼을 간편하게 제조할 수 있으며, 보다 큰 프리폼을 생산할 수 있는 방법이 요망된다.

요구되는 주기적인 구조를 얻기 위한 공지의 방법에 필수적인 기하학적 치수를 무시할 수 있는 한편, 제조된 포토닉 결정 섬유 성능이 최적으로 되도록 선택할 수 있는 튜브들과 로드들을 정확하게 갖는 복잡한 구조를 실현시킬 수 있는 방법의 제공이 요망된다.

또한, 구조 요소의 독립된 선택과 배치를 허용하는 방법의 제공이 요망된다.

고품질의 포토닉 결정 섬유를 인발하기 위하여 본 발명의 방법이 사용될 수 있는 프리폼을 생산하는 것이 요망된다.

본 발명의 목적은 특허청구의 범위 제 1항 또는 제 2항의 방법, 특허청구범위 제 13항에 따른 프리폼, 특허청구범위 제 16항에 따른 광섬유에 의해 달성될 수 있다.

특허청구범위 제 1항에 따른 광섬유를 제조하는 방법은,

제 1 주축과 외측면을 갖는 일차 광섬유 프리폼을 제 2 주축과 내측면을 갖는 오버클래딩 튜브속에 삽입하여 상기 외측면과 내측면이 내부 공간을 형성하도록 하는 단계;

상기 제 1 및 제 2 주축들이 서로 사실상 일직선으로 정합하면서 오버클래딩 튜브속의 중심에 삽입된 위치에서 일차 프리폼을 유지하는 단계;

폐쇄부에 의해 오버클래딩 튜브 하단의 제한된 내부 공간속에 오버클래딩 입자들을 공급하는 단계;

오버클래딩튜브와 일차 광섬유 프리폼을 제위치에 유지시키는 접합부에 의해 오버클래딩 튜브의 상단부의 한정된 내부 공간에서 감압 조건을 발생시키는 단계;

일차 프리폼과, 오버클래딩 튜브 및 오버클래딩 입자들로 구성된 미처리된 이차 프리폼을, 그 하단부에서 연화 상태로 되도록 2100 내지 2250℃ 범위의 온도로 노에 의해 가열함과 동시에 그것을 광섬유로 인발하거나;

일차 프리폼과, 오버클래딩 튜브 및 오버클래딩 입자들로 구성되는 미처리된 이차 프리폼을, 그 전체 길이에 걸쳐 처리된 이차 프리폼을 얻도록 노에 의해 가열하고, 후속적인 처리단계에서 광섬유로 인발하는 단계를 포함하여 구성된다.

특허청구범위 제 2항에 따른 포토닉 결정 섬유와 같은 광섬유를 제조하는 방법은,

제 1 주축과 외측면을 갖고 적어도 이차원적으로 주기적인 구조로 배열된 길다란 구조 요소를, 상기 외측면과 함께 내부 공간을 형성하는 내측면과 제 2 주축을 갖는 오버클래딩 튜브속에 삽입하는 단계;

제 1 주축을 갖는 상기 길다란 구조 요소를 오버클래딩 튜브의 제 2 주축과 평행하게 유지하는 단계;

폐쇄부에 의해 오버클래딩 튜브의 하단부에 제한된 내부 공간속에 오버클래딩 입자를 공급하는 단계;

접합부에 의해 오버클래딩 튜브의 상단부에 제한된 내부 공간속에 감압 조건을 발생시키는 단계;

길다란 구조요소, 오버클래딩 튜브 및 오버클래딩 입자들로 구성된 처리된 프리폼을 그 하단부에서 연화 상태로 되도록 노에 의해 가열함과 동시에 그것을 광섬유로 인발하거나;

길다란 구조요소, 오버클래딩 튜브 및 오버클래딩 입자들로 구성되는 처리된 프리폼을 그 전체 길이에 걸쳐 처리된 프리폼을 얻도록 노에 의해 가열하고, 후속적인 처리단계에서 광섬유로 인발하는 단계를 포함하여 구성된다.

노에 의해 제공된 열에너지에 의해 그리고 프리폼의 내외측에 설정된 압력차로 인하여, 오버클래딩 튜브는 붕괴되면서 용융된 오버클래딩 입자들을 일차 프리폼 또는 구조 요소들로 가압한다. 일차 프리폼도 구조 요소이므로 특허청구범위 제1항 및 2항의 방법들 사이에는 기본적으로 차이가 없다.

오버클래딩 튜브와 오버클래딩 입자의 오버 클래딩 재료는, 붕괴될 때 문헌(2)에서 개시된 바와 같이 통상적인 로드-앤드-튜브(rod-and-tube)를 이용하는 두꺼운 오버클래딩 튜브에서와 같은 방식으로 일차 프리폼과 접합하는 균일한 층을 형성한다.

이차 프리폼의 용융, 즉 융합과 광섬유의 인발은 문헌(2)에 개시된 방법에서와 같이 동시에 수행된다. 그러나, 미처리된 이차 프리폼은 예비공정 단계에서 처리되어 이차 프리폼을 얻을 수 있으며, 이 처리된 이차 프리폼으로부터 현재 가공장소 또는 다른 처리장소에서 후속적인 공정단계에서 광섬유가 인발될 수 있다.

본 발명은 그러나 종래 기술과 비교하여 아래와 같은 많은 잇점을 갖는다:

일차 프리폼상에 두꺼운 벽을 갖는 오버클래딩 튜브를 슬리브 처리함으로써 이차 프리폼을 제조하는 공지의 방법은 포기된다. 대신에, 얇은 벽을 갖는 오버클래딩 튜브를 사용하여 오버클래딩 튜브의 내측면과 일차 프리폼 사이의 내부 공간에 실라카 입자로 채워진다. 그 결과, 두꺼운 벽을 갖는 오버클래딩 프리폼의 제조를 위한 노력과 비용이 절감된다. 값이 비싼 두꺼운 벽을 갖는 실리카 튜브 대신에 실리카 입자를 사용할 수 있다.

오버클래딩 입자의 유동성으로 인하여, 오버클래딩 튜브의 내측면과 일차 프리폼(일차 광섬유 프리폼의 약칭임)의 외측면 사이의 내부 공간 또는 틈새는 실리카 입자로 균일하게 채워져서 일차 프리폼과 오버클래딩 튜브가 어긋나는 오정렬이 방지된다. 또한 정렬의 문제점 해결외에도, 오버클래딩 튜브가 무제어로 프리갭(free gap)에서 붕괴되지 않고 지지 입자들을 가압하기 때문에 압력 감소 제어의 중요성도 감소한다.

또한, 얇은 벽으로 된 오버클래딩 튜브의 내측 직경은 일차 프리폼의 외측 직경 보다 1.5배 더 크게 선택되는 것이 바람직하며, 그 벽두께 보다 10배 더 크게 선택되는 것이 더 바람직하다. 그러나, 실제로 관련 요소들의 기계적인 강성에 의해 지지되는 어떠한 치수도 실현가능하다.

더욱이, 오버클래딩 튜브와 일차 프리폼의 벽들은 하단부에서 만나게 되어 실리카 입자들은 내부 공간에 채워질 수 있도록, 오버클래딩 튜브의 하단부에는 원추형의 폐쇄부가 제공되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서의 일차 프리폼도 그 하단부에서 원추형으로 형성되므로 정렬 과정이 매우 간편하게 이루어질 수 있다.

예를들어 분말로 된 작은 직경의 입자들로 이루어지는 오버클래딩 입자들은 접합부가 장착되기 전 또는 장착 후에 접합부에 형성된 통로(도관)를 통해 내부 공간에 충진된다.

오버클래딩 입자들은, 제조되는 광섬유의 필요한 특성에 따라 선택될 수 있는 순수한 또는 도프 처리된 합성 실리카(doped synthetic silica) 분말일 수 있다. 졸-겔 기술을 사용하여 실리카 분말을 제조하는 방법은 문헌(6)의 미국 특허 제6,047,568호에 개시되어 있다. 더 높은 인발력을 갖고 인발 과정중에 파단의 위험을 감소시킬 수 있는 다른 졸-겔 기술은 문헌(7)의 미국 특허 제6,334,338호에 개시되어 있다. 본 발명의 방법은 또한 간단한 주의로도 소비자의 요구를 충족시킬 수 있는 높은 작업 유연성을 제공한다.

포토닉 결정 섬유의 생산 관점에서, 본 발명은 종래 기술에 비교하여 상당한 생산성의 향상이 있다.

단부들이 이차원의 주기적 구조를 형성하는 길다란 구조 요소들의 축이 비교적 떨어져 있기 때문에, 넓은 공간갭에 입자들을 효율적으로 저비용으로 충진시킬 수 있으므로, 두꺼운 벽으로 된 관형 구조 요소를 피할 수 있다.

더욱이, 소정의 밴드갭에 관련한 모든 이차원적인 주기적 구조에 관하여 동일한 구조의 요소들이 적용될 수 있다.

길다란 구조 요소 또는 일차 프리폼의 정렬과 유지는 이차원적 주기성 구조에 합치하는 개구부를 갖는 매트릭스를 사용하여 간편하게 달성될 수 있다. 길다란 구조 요소 또는 일차 프리폼들은 예를들어, 양단부를 고정하는 두개의 매트릭스에 삽입고정될 수 있다. 그러므로, 완전한 구조체를 간편하게 조립하여 오버클래딩 튜브에 삽입시킬 수 있다.

각각의 매트릭스는, 예를들어 내측 플랜지들에 의해 오버클래딩 튜브속의 한정된 위치들에 유지될 수 있는 판상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 각 매트릭스는 입자들의 통과를 허용하는 개구부를 포함하는 것이 바람직하다.

매트릭스는 오버클래딩 재료와 함께 용융되도록 입자들과 같은 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.

틈새(갭)와 홀, 개구부들을 밀페하고 또 재료 밀도를 보다 높도록 하기 위하여 진동, 바람직하게는 고주파수 진동이 가해질 수도 있다.

구조 요소들은 튜브, 로드, 또는 튜브-앤드-로드들의 복합체로 될 수 있다. 튜브의 내측 공간에 대응하는 빈 공간이 형성되어야 하는 경우 튜브를 사용한다. 광섬유에서 대응 비중공선을 생성하기 위해 선택된 굴절률을 갖는 비중공 로드를 사용할 수 있다. 그러나, 프리폼과 광섬유에서 구조 요소인 세장(細長), 즉 길다란 공동을 만들기 위하여 로드들은 가열 공정단계 중 또는 후에 제거되거나, 또는 완전히 입자들이 용융된 다음에 제거될 수 있다. 제거한 제거가능한 로드를 사용하는 경우 구조 요소들이 가열공정에서 붕괴되는 것을 방지한다.

그러한 붕괴를 방지하기 위하여 냉각제가 입자들을 용융시키는 동안 관상의 구조 요소를 통해 전달될 수 있다. 그러한 붕괴의 방지는 또한 입자들의 용융 공정중에 관상의 구조 요소들의 내부를 압력에 노출시킴으로써 달성할 수도 있다.

이하에서는 아래와 같은 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 목적과 잇점들을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 제 1 주축(x1)을 갖는 일차 프리폼(11)을 보여주는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따라 클래딩 튜브(12)로서 사용되는, 제 1 주축(x2)을 갖고 하단부에 원추형 폐쇄부(125)가 형성되어 있는 얇은 벽으로 된 실리카 튜브의 단면도이다.

도 3은 상호 충분히 정합한 제 1 및 제 2 주축(x1, x2)들에 의해 오버클래딩 튜브(12) 내의 중심에 삽입된 위치에 유지된 일차 프리폼(11)을 보여주는 단면도이다.

도 4는 일차 프리폼(11)의 외측면(111)과 오버클래딩 튜브(12)의 내측면(120)에 의해 형성되는 내부 공간(15)을 갖는 도 3의 오버클래딩 튜브(12)와 일차 프리폼(11)을 갖추고 있으며, 오버클래딩 입자(13)들로 충진되는 미처리된 이차 프리폼(1)을 보여주는 단면도이다.

도 5는 오버클래딩 튜브(12)속에 일부분 삽입된 접합부(3)를 구비하며, 일차 프리폼(11)을 중심 위치에 유지하고 내부 공간(15)의 상측에서 폐쇄 밀봉한 도 4의 이차 프리폼(1)을 나타낸다.

도 6은 오버클래딩 입자(13)들을 통로(38)를 통해 삽입할 수 있는 접합부(3)를 갖는 이차 프리폼(1)의 단면도이다.

도 7은 도 5의 이차 프리폼(1)의 상단부를 자세히 보여주는 단면도이다.

도 8은 도 4의 이차 프리폼(1)에 사용된 접합부(3)를 보여준다.

도 9는 도 6의 접합부(3)의 단면도로서, 오버클래딩 입자(13)를 삽입하도록 통로(38)가 제공되어 있다.

도 10은 도 5의 이차 프리폼(1)으로부터 광섬유를 인발하는데 사용되는 장치를 보여준다.

도 11은 포토닉 결정 섬유를 인발하도록 설계된 프리폼(1')을 생성하기 위하여 오버클래딩 입자(13)가 채워지는 오버클래딩 튜브(12)속에 이차원의 주기성 구조로 배열한 관상의 비중공의 길다란 구조 요소(1201,1201')들을 보여준다.

도 12는 보다 큰 프리폼(1')을 생성하도록 오버클래딩 입자(13)들이 채워진 다른 오버클래딩 튜브(12')속에 삽입한 도 11의 가열 처리된 프리폼(1')을 나타낸다.

도 13은 도 12의 평면도이다.

도 14는 이차원적 주기성 구조로 구조 요소(1201,1201')들을 수용 및 유지하도록 설계된 유리 매트릭스(200)를 보여준다.

도 15는 가열 처리하기전에, 오버클래딩 튜브(12)속에 이차원적 주기성 구조로 배열된 관상 비중공의 길다란 구조 요소(1201.1201') 및 제거가능한 중심의 로드(1205)를 유지시키는 두개의 삽입 매트릭스(200)가 구비된 프리폼(1')의 단면도이다.

도 16은 가열 처리 후의 구조요소(11')를 점유하고 있는 제거가능한 로드(1205)를 제거한 다음의 도 15의 프리폼(1')의 단면도이다.

도 17은 도 16의 프리폼(1')으로부터 포토닉 결정 섬유를 인발하는데 사용되는 장치를 보여준다.

도 1은 제 1 주축(x1), 외경(d1) 및 외측면(111)을 갖는 일차 프리폼(11)을 보여준다. 그러한 프리폼을 제조하는 방법은 앞에서 이미 설명되었다.

도 2는 제 1 주축(x2), 내경(d2), 외경(d20) 및 내측면(120)을 갖는 박벽(薄壁) 실리카 튜브의 오버클래딩 튜브(12)를 보여준다. 하단부에 원추형의 폐쇄부(125)를 갖추고 있는 상기 박벽의 실리카 튜브는 본 발명의 방법에 따라 오버클래딩 튜브(12)로서 사용된다. 이러한 종류의 실리카 튜브는 여러 제조업자들로부터 구입가능하다.

도 3은 상호 충분히 접합하고 있는 제 1 및 제 2 주축(x1, x2)들에 의해 오버클래딩 튜브(12)속의 중심에 삽입된 위치에서 유지되는 일차 프리폼(11)을 보여준다.

오버클래딩 튜브(12)의 환형 벽의 두께(d20)는 그 내경(d2)보다 수배 더 작으며, 예컨대 그 내경(d2)의 10분의 1이하 일 수 있다. 그러나, 상기 비율 d2/d20은 50까지 또는 그 이상 될 수도 있다. 오버클래딩 튜브(12)의 내경(d2)와 일차 프리폼(11)의 외경(d1)의 비율 d2/d1은 예를들어 1.5 내지 5 또는 그 이상의 범위이다.

일차 프리폼(11)의 외측면(111)과 오버클래딩 튜브(12)의 내측면(120)에 의해 형성되는 내부 공간(15)의 체적은 비교적 크며, 즉 일차 프리폼(11) 체적 보다 수배 더 크다.

도 4는 도 3의 일차 프리폼(11)과, 인발 공정시 또는 이후의 성능의 관점으로부터 섬유의 소망 특성에 따라 선택되는 순수한 합성 실리카 또는 도프 처리된 합성 실리카의 입자 또는 분말인 오버클래딩 입자(13)들로 충전된 내부 공간(15)을 갖는 오버클래딩 튜브(12)를 구비한 미처리된 이차 프리폼(1)을 나타낸다.

도 1a, 2a, 3a, 및 4a는 일차 프리폼(11), 오버클래딩 튜브(12) 및 오버클래딩 입자(13)의 도 1 내지 4의 s-선을 따른 횡단면도이다.

도 5는 오버클래딩 튜브(12)에 삽입된 접합부(3)를 갖추고, 일차 프리폼(11)을 중심 위치에서 보유하고 내부 공간(15)의 상부에서 폐쇄 밀봉한 도 4의 이차 프리폼(1)을 보여준다. 본 실시예에서는 접합부(3)를 충진하기 전에, 오버클래딩 입자(13)들이 내부 공간(15)속에 충진된다.

도 6은 일차 프리폼(11)과 오버클래딩 입자(13)들을 삽입하는 통로(38)가 형성되어 있는 접합부(3)에 의해 배치 피복한 오버클래딩 튜브(12)를 나타낸다.
도 5와 6에 도시된 제 1 주축(x3)을 갖는 상기 접합부(3)는 오버클래딩 입자(13)들이 채워지는 이차 프리폼(1)을 진공 펌프(22)에 의해 배기시킬 수 있는 배기용 통로(32,33)들을 갖추고 있다.

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도 5와 도 6은 열공급수단 또는 노(furnace:23)를 보여주며, 상기 노는 이차 프리폼(1)을 그 하단부에서 2100 - 2350℃ 범위의 온도로 가열한다. 노에 의해 공급되는 열에너지와 이차 프리폼(1)의 내외측에 존재하는 압력차에 의해 오버클래딩 튜브(12)는 붕괴되어 용융된 오버클래딩 입자(13)들을 일차 프리폼(11)으로 가압하게 된다. 이로써, 오버클래딩 튜브(12)의 오버클래딩 재료와 오버클래딩 입자(13)들은 일차 프리폼과 접합하는 균일한 층을 형성하게 된다.

도 5a와 도 6a는 용융 공정을 수행한 다음 이차 프리폼(1)의 단면을 보여준다.

이차 프리폼(1)의 용융과 광섬유 인발은 동시에 수행될 수 있다. 그러나, 광섬유 인발 전에 이차 프리폼(1)을 완전히 가공처리할 수도 있다.

도 6은 도 5의 이차 프리폼(1)의 상단부의 단면을 보다 자세히 보여준다. 오버클래딩(12) 속에 삽입되는 접합부(3)는 오버클래딩 튜브(12)의 내측면(120)을 확실히 접합 밀폐하는 밀폐화 요소, 예를 들어 O-링을 갖는 두 개의 원형 주위 요홈들을 구비하여 접합부(3)와 일차 프리폼(11)의 외측면(111) 및 오버클래딩 튜브(12)의 내측면(120)과, 하단의 폐쇄부(125)에 의해 한정되는 내부 공간(15)을 배기시킬 수 있다. 그러한 배기는 접합부(3)에 제공된 배기용 통로(32,33)와 접합부(3)와 진공 펌프(22)를 연결하는 튜브(220)를 통하여 수행될 수 있다. 상기 튜브(220)는 배기공정이 수행된 다음 밀폐될 수 있는 밸브(221)에 의해 접합부(3)와 연결된다(도 7 참조). 감압 상태를 발생하기 위하여 문헌(2)에 개시된 바와 같이, 접합부(3)의 대응 통로로 가스가 공급될 수도 있다.

도 7 내지 도 9에 도시된 접합부(3)는 제1 주축(x3)과 동축 배치의 일차 프리폼(11)의 외경(d1)에 일치하는 직경(d3)을 갖는 원통형 개구부(31)와, 제1 주축(x3)에 동축 배치의 오버클래딩 튜브(12)의 내경(d2)에 일치하는 직경(d4)을 갖는 두 개의 환형부(35)들을 포함한다. 그래서 상기 접합부(3)는 오버클래딩 튜브(12)속에 삽입될 때 환형부(35)들이 오버클래딩 튜브(12)의 내측면(120)과 접합하게 되며, 일차 프리폼(11)을 폐쇄되어 있는 또는 밀봉 캡(39)에 의해 폐쇄될 수 있는 말단부(36)에 이어지는 원통형 개구부(31)에 삽입될 수 있다.

오버클래딩 튜브(12)의 내측면(120)에 접합부를 밀폐하기 위하여, 환형부(35)들과 결합하는 두 개의 홈들을 갖추고, 이 홈으로 밀봉 요소(91)들이 삽입된다.

도 8은 도 4의 이차 프리폼(1)에 사용되는 접합부(3)를 보여주며, 도 9는 오버클래딩 입자(13)가 삽입될 수 있는 통로(38)를 갖춘 도 7의 접합부(3)의 단면도이다. 도 9에서, 제 1 배기용 통로(32)는 인접하는 원통형 개구부(31)의 직경(d3) 보다 상당히 더 큰 직경(d5)을 갖는 접합부(3)의 주축(x3)과 동심원적으로 배치되는 것을 나타낸다.

도 10은 도 5의 이차 프리폼(1)으로부터 광섬유(5)를 인발하는데 사용되는 장치를 보여준다. 이차 프리폼(1)이 그 용융점으로 가열되고, 광섬유(5)가 당겨지면 소위 "네크 다운(neck-down)"이라고 불리는 사교영역(斜交領域: angular area)이 형성된다. 단일의 광섬유(5)는 프리폼으로부터 반 용융상태에서 인발되어 직경 모니터(24)를 거쳐 통과한다. 상기 광섬유(5)는 하방으로 연신을 계속하고 광섬유(5)를 보호하는 코팅을 가하는 코팅기(25)를 통과한다. 광섬유(5)는 코팅이 가해진 후 광학적 코팅층을 경화시키고 전체 직경을 모니터링하는 다른 감지장치(26)(27)들을 거쳐 통과하게 된다. 상기 광섬유(5)는 광섬유를 회전시키는 롤러를 갖춘 방적장치(28)와 만난다. 광섬유(25)는 최종적으로 섬유를 스풀 또는 드럼(29)에 권취하기 전에 일련의 롤러(도면에 도시되지 않은)와 만난다. 이차 프리폼(1)은 홀딩장치(21)에 장착되며, 그 홀딩장치는 축(x123)을 따른 수직이동과 그 주위로 회전할 수 있다. 또한, 상기 홀딩장치(21)는 내부 공간(15)에 제공된 오버클래딩 입자(13)을 응집하도록 이차 프리폼에 진동을 가하도록 설계될 수도 있다.

도 11은 포토닉 결정 섬유와 같은 광섬유를 연신하도록 설계된 프리폼(1')을 형성하도록 하기 위하여 오버클래딩 입자(13)들로 채워지는 오버클래딩 튜브(12)속에 이차원 주기성 구조로 배열된 관상의 비중공인 길다란 구조 요소(1201, 1201')를 나타낸다. 이차원 주기성 구조는 프리폼(1')으로부터 인발되는 포토닉 결정 섬유에 포토닉 밴드갭(PBG) 효과를 적용하도록 선택된다. 이러한 이차원 주기성 구조의 정의는 본 발명의 주제가 아니다. 이러한 구조를 설명한 문헌은 종래 기술 설명에서 소개한 바 있다. 그러나, 본 발명에서는 길다란 구조 요소(1201, 1201')들과 오버클래딩 튜브(12) 사이의 내부 공간에는 유연성 있는 재료, 즉 오버클래딩 입자(13)들로 충진되기 때문에 모든 종류의 구조를 용이하고 저렴한 비용으로 실현할 수 있다.

그 결과, 바람직한 표준 크기의 비교적 박벽의 튜브를 가열 공정동안 변형되거나 중첩되지 않는 가늘고 긴, 길다란 구조 요소(1201)로서 선택할 수 있다. 그러나, 도 11에 도시된 바와 같이, 가열 공정 후에 제거되는 제거가능한 로드(1205')를 사용하여 관상의 길다란 구조 요소(1201)들의 내부를 정확한 형상으로 유지하도록 한다. 더욱이, 제거가능한 로드(1205)는 관상의 길다란 구조 요소없이 사용될 수 있어서, 길다란 빈 공간 또는 공동, 즉 오버클래딩 입자(13)가 없는 공간(130)을 유지할 수 있다. 프리폼(1')을 가공처리한 후, 제거가능한 로드(1205)를 제거한다. 도 11에서, 제거가능한 로드(1205)는 광을 안내하게 될 빈 코어 또는 가스가 충진된 코어용의 공간 유지수단으로서 사용된다.

도 11의 프리폼(1')에 제공된 이차원 주기성 구조는 6개의 중복된 셀(cell)들을 포함하며, 각 셀은 6개의 주위 구조요소(1201)와 하나의 길다란 중심 구조 요소(1201')로 구성된다. 주위의 구조요소(1201)들은 길다란 빈 공간을 위한 관형체이며, 중심의 구조요소(1201')는 클래딩 재료의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 재료의 비중공 원통체 또는 전체 원통체이다.

도 12는 보다 큰 프리폼(1')을 생산하기 위하여 오버클래딩 입자(13)들로 채워진 다른 클래딩 튜브(12')속에 삽입된 도 11의 가열처리된 프리폼(1')을 보여준다. 이 방법으로 일차 PCF-프리폼 뿐만 아니라 이차 및 삼차 프리폼들을 간편하게 생산할 수 있다. 이것은 이차원 주기성 구조가 프리폼이나 포토닉 결정 섬유(PCF)의 전단면에까지 연장될 필요가 없다는 사실에 기초하고 있다. 프리폼(1')은 일차 프리폼을 나타내며, 전술한 바와 같이 가공 처리된다(도 1 내지 도 4 참조).

도 13은 비중공이고 주위로 용융된 관상의 구조 요소(1201,1201')의 도 11의 배열을 보여주는 평면도이다. 코어 영역의 제거가능한 로드(1205)와 관상의 구조 요소(1201)에서의 제거가능한 구조 요소(1205)들이 제거되면, 중공의 코어와 측부의 길다란 빈 공간이 남게 된다. 본 발명에는 이차원의 주기성 구조가 적용될 수 있으므로 추가적인 제 2의 구조 요소(1202)가 프리폼(1)에 추가될 수 있다.

도 14는 이차원 주기성 구조에서 구조 요소(1201, 1201', 1202)와 제거가능한 로드(1205, 1205')들을 수용하고 유지하도록 설계된 유리 매트릭스(200)를 보여준다. 상기 유리 매트릭스(200)는 디스크 또는 웨이퍼 형태로서 구조 요소(1201,1201')들이 관통하여 삽입될 수 있는 개구부(201, 202)들을 포함한다. 또 개구부(203)가 제공되어 그 개구부를 통해 입자들을 충진한다. 이러한 매트릭스(200)로 프리폼들은 간편하게 조립될 수 있다. 매트릭스(200)가 클래딩 재료로 이루어지는 경우, 매트릭스(200)는 가열공정 중에 오버클래딩 입자(13)와 마찬가지 방식으로 클래딩층의 일부분으로 변화될 수 있다.

매트릭스(200)의 생산은 그러나 최소의 노력으로 생산될 수 있다.

도 15는 가열공정 전에 오버클래딩 튜브(12)속에 이차원 주기성 구조로 배열된 관상의 비중공의 길다란 구조 요소(1201,1201')와 중심 위치에 있는 제거가능한 로드(1205)를 유지하는 두 개의 삽입 매트릭스(200)을 갖는 프리폼(1')의 단면도이다.

도 16은 가열공정 후 프리폼(1')의 중공 코어의 구조요소(11')를 점유하는, 제거가능한 로드(1205)를 제거한 후의 도 15의 프리폼(1')을 보여준다. 중공 코어의 구조요소(11') 대신에, 비중공 코어의 구조요소(11)를 나타내는 비중공 구조요소(1201')가 제공될 수도 있다. 비교로서, 제거가능한 로드(1205')가 채워진 관상의 구조 요소(1201)와, 중심위치의 비중공 구조요소(1201') 또는 중심 위치의 제거가능한 로드(1205)는 도 1에 도시된 일차 프리폼(11)을 대체할 수 있다.

도 17은 도 16의 프리폼(1')으로부터 포토닉 결정 섬유(15)를 인발하는데 사용되는 장치를 보여준다.

앞에서 설명한 것은 단순히 본 발명의 적용예이다. 본 발명의 기술분야의 숙련자들에 의해 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않고 다른 배치구조를 실시할 수 있을 것이다. 일차 프리폼(11)과 오버클래딩 튜브(12) 또는 길다란 구조 요소(1201, 1201', 1202)와 제거가능한 로드(1205, 1205')들은 사용되는 재료의 도판트 또는 굴절률 및 오버클래딩 입자(13)의 입자 크기 등에 있어서 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 충진된 비중공 또는 중공 코어의 구조요소(11, 11')의 직경은 통상 잔류 구조요소(1201,1201',1202)의 두께의 수배에 달한다. 제거가능한 요소(1205,1205')들은 프리폼이 냉각된 후 용이하게 제거할 수 있도록 적당한 열팽창 계수를 갖는 것으로 선택된다. 제거가능한 요소(1205,1205')들은 예를 들어 흑연으로 이루어질 수 있다. 유리의 열팽창 계수보다 더 큰 열팽창 계수를 갖는 재료가 사용되는 경우, 유리화된 실리카로부터의 로드가 용이하게 제거될 수 있다. 냉각 공정에서, 예를 들어 흑연으로 된 로드는 유리보다 더 수축되어서 유리에 대한 접착성이 없어진다. 이로써 제거가능한 로드에 의해, 복수개의 길다란 공동 요소를 함유하는 복잡한 구조를 갖는 프리폼을 간편하게 제조할 수 있게 된다.

모든 길다란 구조 요소들의 크기와 치수는 상기한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 기술분야의 모든 형태들로 확장될 수 있다. 더욱이, 도 11에 도시된 바와같이, 길다란 구조 요소(1210)들은 오버클래딩 입자(13)들이 들어가는 것을 방지하도록 커버가 씌워지거나 밀폐될 수 있다. 상기 길다란 구조요소(1210)들은 오버클래딩 입자(13)들이 첨가된 다음 용융될 수 있는 유리층에 의해 밀폐되거나 캡으로 씌워질 수 있다. 제조되는 광섬유에 대한 특성이나 제조공정 변수에 따라 재료들을 선택한다. 접합부(3)용의 밀봉요소(34,39,91)들과 개구부(31) 및 통로(32,33,38)들은 여러 방식으로 형성될 수 있다. 오버클래딩 튜브(12)의 하단의 폐쇄부(125)는 원추형과는 다른 형태로 형성될 수도 있다. 그러나, 일차 프리폼의 하단부와 폐쇄부(125)는 정렬을 용이하게 하기 위하여 일치되는 것이 바람직하다. 광섬유를 인발하는 조건은 공지의 방법(문헌(5)의 EP 1 384 700A1 참조)으로 최적화될 수 있으므로, 그러한 공지의 방법으로 노의 온도와 인발 속도와 같은 최적의 작업 변수들을 구할 수 있다. 그러한 작업 변수들은 상술한 값에만 제한되는 것은 아니다.

참조문헌

(1) Mool C. Gupta, Handbook, PHOTONICS, CRC Press, 1997 Boca Raton, chapter 10.7, pages 445-449

(2) U.S. Pat. No. 6,519,974 B1

(3) U.S. Pat. No. 2,980,957

(4) U.S. Pat. No. 4,820,322

(5) EP 1 384 700 A1

(6) U.S. Pat. No. 6,047,568

(7) U.S. Pat. No. 6,334,338

(8) U.S. Pat. No. 6,845,204

(9) U.S. Pat. No. 6,625,364

Claims

제 1 주축(x1)과 외측면(111)을 갖는 일차 프리폼(11)을 제 2 주축(x2)과 내측면(120)을 갖는 박벽의 오버클래딩 튜브(12)속에 삽입하여, 상기 외측면(111)과 내측면(120)이 내부 공간(15)을 형성하는 단계;

상호 접합한 상기 제 1 주축(x1) 및 제 2 주축(x2)들에 의해 오버클래딩 튜브(12) 속의 중심 위치에 삽입한 일차 프리폼(11)을 유지하는 단계;

폐쇄부(125)에 의해 오버클래딩 튜브(12) 하단부에 한정되는 내부 공간(15)속에 오버클래딩 입자(13)들을 공급하는 단계;

오버클래딩튜브(12)와 일차 프리폼(11)을 적소에 유지시키는 접합부(3)에 의해 오버클래딩 튜브(12)의 상단부에 한정되는 내부 공간(15) 내에 감압 조건을 발생시키는 단계;

일차 광섬유 프리폼(11), 오버클래딩 튜브(12) 및 오버클래딩 입자(13)들로 구성된 미처리된 이차 프리폼(1)을, 그 하단부에서 노(23)에 의해 가열하여 연화 상태로 하고 이로부터 동시에 광섬유(5)를 인발하거나, 일차 프리폼(11)과, 오버클래딩 튜브(12) 및 오버클래딩 입자(13)들로 구성되는 미처리된 이차 프리폼(1)을 그 전체 길이에 걸쳐 노(23)에 의해 가열하여 처리된 이차 프리폼(1)을 얻은 후 그로부터 광섬유(5)가 후속 처리단계에서 인발되는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 1 주축(x1,x20)과 외측면(111)을 갖고 이차원적 주기성 구조로 배열된 튜브 및 로드와 같은 길다란 구조 요소(11,11'; 1201,1202, ..., 120n)를, 상기 외측면(111)과 함께 내부 공간(15)을 형성하는 내측면(120)과 제 2 주축(x2)을 갖는 오버클래딩 튜브(12)속에 삽입하는 단계;

제 1 주축(x1,x20)을 갖는 상기 구조 요소(11,11'; 1201,1202, ..., 120n)를 오버클래딩 튜브(12)의 제 2 주축(x2)과 평행하게 유지하는 단계;

폐쇄부(125)에 의해 오버클래딩 튜브(12)의 하단부에서 한정되는 내부 공간(15)속으로 오버클래딩 입자(13)를 공급하는 단계;

접합부(3)에 의해 오버클래딩 튜브(12)의 상단부에서 한정되는 내부 공간(15) 내에 감압 조건을 발생시키는 단계;

노(23)를 이용하여 구조 요소(11, 11';1201,1202, ..., 120n), 오버클래딩 튜브(12) 및 오버클래딩 입자(13)들을 갖는 처리된 프리폼(1')을 그 하단부에서 가열하여 연화 상태로 하고 동시에 그로부터 광섬유(5)를 인발하거나, 노(23)를 이용하여 처리된 프리폼(1')을 얻기 위하여 구조 요소(11, 11';1201,1202, ..., 120n), 오버클래딩 튜브(12) 및 오버클래딩 입자(13)를 갖는 처리된 프리폼(1')을 전 길이에 걸쳐 가열하고, 후속 처리단계에서 광섬유(5)를 인발하는 단계들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토닉 결정 섬유와 같은 광섬유의 제조방법.
제 1항에 있어서, 처리된 이차 프리폼(1)이 오버클래딩 층을 부가하기 위하여 청구범위 제1항의 방법에 따라 일차 프리폼으로서 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 오버클래딩 튜브(12)는 원추형으로 형성된 폐쇄부(125)를 포함하며, 작은 입자들로 구성되는 오버클래딩 입자(13)는 접합부(3)가 장착되기 전에 삽입되거나 또는 접합부(3)를 장착한 다음에 접합부(3)에 형성된 통로(38)를 통해 삽입되는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 오버클래딩 입자(13)는 제조되는 광섬유(5)의 요구 특성에 따라 선택되는 순수한 또는 도프 처리된 합성 실리카 입자인 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 노(23)의 온도는 2100℃ 내지 2350℃ 범위에서 선택하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 일차 프리폼(11) 또는 길다란 구조 요소(11,11'; 1201,1202, ..., 120n)들은, 원형 동축 또는 이차원의 주기성 구조에 합치하는 미리 설정된 위치에 일차 프리폼(11) 또는 길다란 구조 요소(11,11'; 1201,1202, ..., 120n)들을 정확하게 유지하도록 설계된 매트릭스(200)의 개구부(201,202)들에 삽입되는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 매트릭스(200)는 판상으로 형성되고, 오버클래딩 입자(13)를 이송하는 위한 개구부(203)를 포함하며, 오버클래딩 입자(13)와 같은 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 8항에 있어서, 일차 프리폼(11) 또는 길다란 구조 요소들(11,11'; 1201,1202, ..., 120n)의 상부 및 하부에 매트릭스(200)가 각기 구비되는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 오버클래딩 입자(13)들이 진동되는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 길다란 공극의 구조 요소(11')를 생성하기 위하여 오버클래딩 입자(13)가 용융된 후 하나 또는 그 이상의 제거가능한 로드(1205)가 제거되고, 관상의 구조 요소(1201,1202, ..., 120n)들의 붕괴를 방지하기 위하여 가열공정 전에 제거가능한 로드(1205)가 관상 구조 요소(1201,1202, ..., 120n)에 삽입되고 가열 공정 후 또는 가열공정시 단계적으로 제거되고, 제거가능한 로드(1205)가 유리의 열팽창 계수 보다 더 큰 열팽팡 계수를 갖는 흑연과 같은 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 관상의 구조 요소(11,11';1201,1202, ..., 120n)들의 붕괴를 방지하기 위하여, 냉각제가 오버클래딩 입자(13)의 용융 과정 중에 관상의 구조 요소(11,11';1201,1202, ..., 120n)를 통해 이송되거나 관상의 구조 요소(11,11';1201,1202, ..., 120n)의 내부는 오버클래딩 입자(13)의 용융 과정 중에 압력에 노출되는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
용융되는 오버클래딩 입자(13)들로 이루어지는 오버클래딩 물질을 포함하는 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 프리폼.
제 13항에 있어서, 오버클래딩 튜브(12)의 상단부는 진공 펌프 또는 가스 공급원(22)에 연결될 수 있는 배기용 통로(33)를 포함하는 접합부(3)에 의해 유지되고 밀봉되며, 상기 접합부(3)는 오버클래딩 입자(13)를 내부 공간(15)에 삽입하도록 설계된 통로(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리폼.
제 14항에 있어서, 일차 프리폼(11) 또는 길다란 구조 요소(11,11'; 1201,1202, ..., 120n)들은 오버클래딩 입자(13)와 같은 재료로 만들어지는 매트릭스(200)에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 프리폼.
청구항 제 1항의 방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유.
제 13항에 있어서, 용융 또는 미용융 오버클래딩 입자(13)로 이루어지는 오버클래딩 물질로 둘러싸이는 일차 프리폼(11) 또는 길다란 구조 요소(11,11'; 1201,1202, ..., 120n)들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리폼.
제 1항에 있어서, 상기 오버클래딩 튜브(12)의 내경(d2)은 일차 광섬유 프리폼(11)의 외경(d1)보다 1.5배 더 크며, 그 벽의 두께(d20) 보다 10배 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
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