KR101225484B1 - 다각형 코어 광섬유 제조용 모재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 단면의 최외각이 원형인 클래딩 관의 내부 원형 단면인 홀 코어 층을 도핑하는 단계, 및 (b) 상기 도핑된 클래딩 관의 단면의 최외각이 다각형이 되도록 상기 클래딩 관의 외부를 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법 등이 개시되며, 이에 의해서 불순물이 거의 없고 높은 균일성이 확보되어 우수한 성능을 발휘할 수 있는 광섬유의 제조가 가능하다.

Description

다각형 코어 광섬유 제조용 모재 및 이의 제조 방법{Preforms for preparing polygonal-core optical fiber and preparation method thereof}
본 발명은 다각형 코어 광섬유 제조용 모재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
특수 광섬유 핸드북(Specialty Optical Fibers Handbook, Mendez 및 Morse 작성)에 따르면, 특수광섬유에 대한 전 세계적 수요는 2010년에 43억 8천만 달러 규모가 될 것으로 전망된다. 실제로도 특수 광섬유에 대한 연구가 활발히 이루어져 상업화되는 경우가 많은데, 그 대표적인 예로 광결정 광섬유(photonic crystal fiber, PCF)는 영국 Bath 대학으로부터 시작하여 많은 연구단에 의해 활발히 연구되어 상용화되었으며, 현재 고성능 제품의 경우 길이 100 m당 그 가격이 한화로 천 만원에 육박하기도 한다. 이 외에도 편광유지광섬유(polarization-maintaining fiber, PMF), 저손실 굴곡특성 광섬유 등 여러 종류의 특수 광섬유가 활발히 개발되고 상용화되고 있다.
통상적으로 광섬유를 만들기 위해서는 주로 모재(preform)라고 하는 직경 1 cm 내외의 원형 관(tube)을 광섬유의 구조와 동일하게 만든 다음, 이것을 고열로 녹여 인출(drawing)하여 광섬유를 완성하는 방법을 쓴다. 이러한 방식에 의해 제조된 광섬유는 모재와 같은 구조를 가지되 일정한 비율로 축소된다.
따라서 특수한 형태의 횡단면(cross section)을 가지는 광섬유, 예를 들어 편광유지 광섬유(PMF)나 광결정 광섬유(PCF) 등을 만들기 위해서는 관의 축과 수평하게 모재에 홀(hole)을 뚫거나 여러 개의 관을 축이 나란한 꾸러미(stack)로 만들어 고열로 녹여 인출하는 방법을 쓰기도 하는데, 이러한 방법으로는 횡단면에서 원형 클래딩(cladding)을 배경으로 원형 코어(core)나 원형 홀을 내재하는 구조의 광섬유 밖에 구현할 수 없다.
다각형 코어를 구현하기 위한 방법으로 모재 안쪽 벽에 높은 굴절률의 물질을 다각형으로 도핑(doping)할 수 있을지도 모르지만, 현재 기술로는 다각형으로 도핑된 모재의 구현이 불가능하다.
원형 클래딩을 가지는 광섬유에 다각형 코어를 도입하기 위해서 1) 코어 관을 중심으로 복수 개의 클래딩 관으로 둘러싸서 고열로 녹여 인출하는 방법, 및 2) 원형 관 안에 다각형 코어 관을 삽입하여 고열로 녹여 인출하는 방법이 있을 수 있는데, 위 방법 1)의 경우 클래딩 관의 개수가 코어의 형태를 결정하며, 위 방법 2)의 경우 삽입된 코어 관의 형태가 코어의 형태를 결정한다. 즉, 위 1)은 중앙의 코어관을 중심으로 여러 개의 클래딩 관을 코어 관 주변에 배치하여　쌓고(stack) 인출(drawing)하는 방법이고, 위 2)는 원형 튜브 형태의 클래딩 관에 다각형 코어 관을 삽입하여　인출하는 방법이다.
그러나, 위 1) 방법은 공기 중에 드러나는 코어 관 및 클래딩 관의 표면적이 넓어짐에 따라 먼지와 불순물이 달라붙는 문제점이 심각해질 뿐만 아니라, 적은 개수의 클래딩 관으로 원하는 모양의 스택(stack)을 구현하기 힘들다는 문제점이 있다. 또한, 위 2) 방법은 코어 관 삽입시 클래딩 관과 코어 관 계면에 스크래치가 발생하고, 튜브 내 빈 공간 및 코어 관 면에 달라붙는 먼지 및 이로 인한 계면에서의　불순물과 저순도 문제가 심각하다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 극복하고, 고순도 및 계면 균일화를 통한 성능 향상 등을 갖출 수 있는 광섬유 모재 및 이의 제조방법, 및 다각형 코어 광섬유 및 이의 제조방법에 관해서 개시하고자 한다.
특히, 본 발명에서는 순도 및 성능 면에서 안정성을 보장하면서 원형 클래딩 및 다각형 코어, 부가적으로 중앙의 원형 홀로 이루어진 광섬유 모재의 제조방법을 개시하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 단면의 최외각이 원형인 클래딩 관의 내벽에 원형 단면인 홀 코어 층을 도핑하는 단계, 및 (b) 상기 도핑된 클래딩 관의 단면의 최외각이 다각형이 되도록 상기 클래딩 관의 외부를 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크래치 흔적이 없는 무스크래치성(non-scratched) 광섬유 모재의 제조방법이 개시된다. 이때, 클래딩 관은 단면의 최외각뿐만 아니라 최내각도 원형인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (i) 원형 단면인 홀을 포함하고 단면의 최외각이 다각형인 클래딩 관, 및 (ii) 상기 클래딩 관 내벽에 도핑된 코어를 포함하는 광 섬유 모재가 개시된다.
일 구현예에 따르면, 상기 클래딩 관은 길이 방향의 축을 중심으로 둘레 방향으로 계면 불균일성을 보이지 않는 것이 바람직하며, 위 제조방법에 의해 제조된 본 발명의 일 측면에 따른 광섬유 모재는 이러한 계면 균일성을 보인다. 반면, 코어 관을 중심으로 복수 개의 클래딩 관을 에워싸서 고열로 녹여 인출하는 종래의 방법의 경우에는 클래딩 관 사이에 아직 완전하게 균일화되지 않아 계면에 미세한 불균일성이 존재하게 되며, 이는 굴절률 등 광학 특성을 포함한 물성에 있어 계면 불균일성을 보일 수 있다.
따라서, 본 발명에 있어서 클래딩 관이 "계면 균일성"을 보인다는 의미는 이와 같이 복수 개의 클래딩 관을 용융시켜 제조됨에 따른 계면 불균일성이 존재하지 않는다는 것을 의미하며, 이러한 점은 본 발명의 개시 내용에 기초하기만 한다면 당업자가 쉽게 이해하고 실시할 수 있는 정도의 범위에 해당한다고 할 것이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 단면의 최외각이 원형인 클래딩 관의 내벽에 코어를 도핑하는 단계, (b) 상기 도핑된 클래딩 관의 단면의 최외각이 다각형이 되도록 상기 클래딩 관의 외부를 연마하는 단계, 및 (d) 상기 연마된 클래딩 관을 인출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다각형 코어 광섬유의 제조방법이 개시된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (i) 단면의 최외각이 다각형인 코어, (ii) 상기 코어를 둘러싸고 단면 최외각이 원형인 클래딩 관을 포함하는 다각형 코어 광섬유가 개시된다.
일 구현예에 따르면, 상기 코어는 상기 클래딩 관 내벽에 도핑되어 형성되는 것이 바람직하며, 종래와 같이 코어 관이 삽입되는 경우 코어와 클래딩 관 사이의 계면에 스크래치가 발생하고 불순물이 혼입될 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 단면의 최외각이 원형인 클래딩 관 내벽에 원형 단면인 코어를 도핑하는 단계, (b) 상기 도핑된 클래딩 관의 단면의 최외각이 다각형이 되도록 상기 클래딩 관의 외부를 연마하는 단계, (c) 상기 클래딩 관의 양 말단의 홀을 봉합하는 단계, 및 (d) 상기 양 말단의 홀이 봉합된 클래딩 관을 인출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 포함 다각형 코어 광섬유의 제조방법이 개시된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (i) 단면의 최외각이 다각형인 코어, (ii) 상기 코어를 둘러싸고 단면 최외각이 원형인 클래딩 관, 및 (iii) 상기 코어 내부에 존재하는 단면 원형인 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 포함 다각형 코어 광섬유가 개시된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 여러 측면 및 여러 구현예에 따른 다각형 코어 광섬유 또는 홀 포함 다각형 코어 광섬유를 포함하는 광학 기기가 개시된다. 상기 광학 기기의 예에는 전 광섬유 광 합성기, 광섬유 증폭기, 고출력 광섬유 레이저 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 여러 측면 및 구현예에 의해서 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 종래 기술의 한계로 제작할 수 없었던 저손실 고순도 다각형 코어 광섬유 및 홀 내재 다각형 광섬유의 제작이 가능하다.
2. 기존의 광섬유를 통해 나온 빔은 축을 중심으로 완전 대칭 구조를 이루는 한계가 있다. 따라서 본 발명을 통해 다양한 모양의 코어를 가진 광섬유를 자유자재로 제작함으로써, 벌크 시스템을 벗어난 전 광섬유 기반 빔 형성기 제작이 가능하다. 전 광섬유 기반 빔 형성기는 마이크로미터 단위의 작은 시스템 크기 및 자유롭게 구부릴 수 있는 유연성 등의 특장점을 가진다.
3. 광섬유 레이저를 이용한 미세가공에서도 원하는 패턴을 자유자재로 새기는 것이 가능하다. 본 발명을 통해 제작된 광섬유를 이용하면 여러 형태의 다각형 패턴을 직접적으로 단 한 번에 가공할 수 있다.
4. 기존의 원형 대칭 광섬유에서는 편광성(polarization)을 조절하기 위해 벌크 형태의 편광자(polarizer)를 이용하여야만 했다. 본 발명을 통한 광섬유를 이용하면 다각형 구조로 인해 광섬유 내에서 삼중굴절 이상의 특성을 통해 별도의 편광자 없이 편광성 조절이 가능하다.
5. 기대효과 2와 4를 결합한 형태인 전 광섬유 빛 합성기의 제작이 가능하다. 홀 내재 삼각형 코어 광섬유의 경우, 편광성을 조절하거나 세 개의 광섬유 묶음을 통해 빛의 삼원색인 빨강, 초록, 파랑의 빛을 각각 세 개의 모서리에 입사시킨 뒤 하나의 광섬유와 융착 접속함으로써 전 광섬유 빛 합성기를 제작할 수 있다.
도 1은 기존의 방법으로 제작한 유리로 된 원형 관(1)의 일 형태이다. 외경이 OD인 원통형의 클래딩 층(12), 두께가 T인 링 형태의 코어 층(11), 그리고 직경이 ID인 중앙의 원형 홀(10)로 구성된다.
도 2는 원형 관(1)을 접선에서 중심 방향으로 PD만큼 연마한 다각형 관(2)의 일 형태이다. 바깥 면을 원형으로 변형할 경우, 링 코어 층(21)과 다각형 관(2)의 바깥 면과의 거리가 제일 작은 부분(23)의 변형이 가장 심하여 다각형 코어 층의 모서리를 형성하며, 가장 큰 부분(24)은 변형이 거의 없어 다각형 코어 층의 변의 중심부분이 된다.
도 3은 다각형 관(2)을 열과 인장을 통해 변형한 다각형 코어 모재(3)의 일 형태이다. 직경이 OD인 저 굴절률의 원형 클래딩 층(32)과 변의 길이가 L인 고 굴절률의 코어 층(31)으로 구성된다.
도 4는 다각형 관(2)을 열과 인장 및 압력 조절 시스템을 통해 구현한 홀 내재 다각형 코어 모재(4)의 일 형태이다. 외경이 OD인 저 굴절률의 원형 클래딩 층(42)과 변의 길이가 L인 고 굴절률의 코어 층(41), 그리고 중앙에 직경이 HD인 원형 홀(40)을 포함한다.
도 5는 모재를 광섬유로 제작하기 위한 인출 탑(drawing tower)의 개략도이다. 압력 조절 시스템은 홀 내재 다각형 광섬유의 제작을 위하여 양 끝이 봉합된 홀 내재 다각형 코어 모재(4)의 공동과 연결된다.
도 6은 고안된 발명을 통해 생성된 여러 형태의 다각형 관(2)의 실제 사진이다.
도 7은 도 6에 나타난 다각형 관(2)을 이용하여 생성한 다각형 코어 광섬유의 실제 횡단면도이다. 각 사진의 우측 하단에 중앙 부분의 확대도가 나타난다. 모두 클래딩 직경 125 ㎛을 가진다.
도 8은 도 6에 나타난 바깥 면이 삼각형인 다각형 관(2)을 이용하여 생성한 홀 내재 다각형 코어 광섬유의 실제 횡단면도 및 중앙 부분의 확대도이다. 클래딩 직경 200 ㎛과 홀 직경 18 ㎛을 가진다.
이하에서는 본 발명의 여러 측면 및 구현예에 대해서 좀더 상세하게 설명하도록 한다. 다만, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 이에 의해서 본 발명의 범위나 내용이 제한되거나 축소되어 해석될 수 없다.
기존의 방법으로 제작한 유리로 된 원형 관(1)의 구조를 도 1에 나타내었다. 관 바깥 면이 클래딩 층(12)으로 사용되며, 관 안쪽 면에는 높은 굴절률의 물질이 도핑되어 링 코어 층(11)이 되며 중앙에는 원형 홀(10)을 포함한다. 실험적 증명을 위해 GeO2와 P2O5의 농도를 각각 5 mol%와 1 mol%로 하여 외경(OD)이 25 mm, 내경(ID)이 19 mm인 원통형 SiO2 안쪽 면에 4개 층을 증착하여 섭씨 1,700 ℃ 이상으로 가열하여 최종적으로 OD 19.8 mm, ID 11.4 mm, 링 코어 층(11)의 두께(T)가 0.05 mm인 원형 관(1)을 제작하였다.
다음으로 원형 관(1)의 바깥 면을 다각형으로 연마 및 세척하여 다각형 관(2)을 제작한다. 일례로, 바깥 면이 삼각형인 다각형 관(2)의 구조를 도 2에 나타내었다. 유사한 방법으로 바깥 면을 사각형, 오각형 등 원하는 구조로 연마하여 제작할 수 있다. 실험적 증명을 위해 원형 관(1)을 방위각 120 ℃로, 접선을 기준으로 연마 깊이(PD) 1.7 mm인 삼각형 구조의 다각형 관(2)을 제작하였다.
다각형 관(2)을 다시 고온으로 가열하여 인장력을 가하면 바깥 면이 원형으로 변형된다. 이 과정 중에 링 코어 층(21)과 클래딩 층 바깥 면과의 가장 좁은 부분(23)은 가장 심하게 변형되어 다각형 코어 층의 모서리가 되며, 가장 넓은 부분(24)은 거의 변형되지 않아 다각형 코어 층의 변의 중심부분이 된다. 최종적으로 생성된 다각형 코어 모재(3)는 원통형 저 굴절률의 클래딩 층(32)과 고 굴절률의 다각형 코어 층(31)으로 구성되며, 도 3에 그 구조를 나타내었다. 실험적 증명을 위해 OD 14.4 mm 다각형 코어 모재(3)를 제작하였다.
코어가 다각형이면서 중앙에 원형 홀이 있는 광섬유를 위한 모재도 제작 가능하다. 다각형 관(2)을 제작한 후, 관의 양쪽 끝을 고열로 녹여 봉합하면 속에 공동(cavity)이 형성된다. 상기 공동에 기체를 채워 놓고 압력 조절 시스템에 연결하여 특정 압력(P)을 유지함과 동시에 바깥 면을 원형으로 변형시키면, 유사한 과정을 통해 다각형 코어를 가지되 중앙에 원형 홀이 있는 모재가 형성된다. 홀 내재 다각형 코어 모재(4)는 원통형 저 굴절률의 클래딩 층(42)과 고 굴절률의 다각형 코어 층(41), 그리고 중앙의 원형 홀(40)로 구성되며, 도 4에 그 횡단면도를 나타내었다.
생성된 모재를 광섬유로 제작하기 위한 인출 탑(drawing tower)의 개략도를 도 5에 나타내었다.
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 MCVD, OVD, VAD와 같은 기존 공정을 통한 유리로 된 원형 관(1)을 사용하므로 먼지나 산란 입자 등과 같은 불순물로부터 안전하며, 따라서 손실이 낮고 고순도인 다각형 코어 광섬유 및 홀 내재 다각형 광섬유를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 MCVD, OVD, VAD와 같은 기존 공정을 통해 Ge는 물론 희토류 원소를 원형 관(1) 안쪽 면에 하나 이상 도핑할 수 있으므로 광섬유 증폭기 및 레이저로서의 제작도 가능케 한다.
뿐만 아니라, 원형 관(1)의 바깥 면을 어떻게 연마하느냐에 따라 형성하고자 하는 코어 층의 모양이 자유자재로 변형 가능하다. 일례로 바깥 면을 삼각형, 사각형, 그리고 오각형으로 연마하여 제작된 다각형 관(2)의 실제 사진을 도 6에 나타내었다.
본 발명을 통해 생성된 광섬유의 구조는 모재의 구조와 거의 동일하게 구현가능하다. 일 예로 도 6에 나타난 다각형 관(2)을 이용하여 생성된 모재를 이용하여 인출한 다각형 코어 광섬유(3)의 실제 사진을 도 7에 나타내었다. 각 사진의 우측 하단에 중앙 부분의 확대도가 나타난다. 모두 클래딩 직경 125 ㎛을 가진다.
다른 예로, 바깥 면이 삼각형인 다각형 관(2)을 이용하여 생성된 모재를 이용하여 인출한 홀 내재 다각형 코어 광섬유(4)의 실제 사진과 중앙 부분의 확대도가 도 8에 나타내었으며, 제작된 광섬유는 클래딩 직경 200 ㎛, 홀 직경 18 ㎛을 가진다.
또한, 원형 관(1)의 OD와 ID 및 T를 바꿈으로써 인출될 광섬유의 클래딩 직경 및 다각형 코어의 변의 길이를 원하는 대로 얻을 수 있으며, 압력 조절 시스템의 P를 바꿈으로써 원하는 홀의 직경을 얻을 수 있다.

Claims (13)

  1. 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법:
    (a) 단면의 최외각이 원형인 클래딩 관의 내벽에 원형 단면인 코어를 도핑하는 단계, 및
    (b) 상기 도핑된 클래딩 관의 단면의 최외각이 다각형이 되도록 상기 클래딩 관의 외부를 연마하는 단계.
  2. (i) 원형 단면인 홀을 포함하고 단면의 최외각이 다각형인 클래딩 관, 및
    (ii) 상기 클래딩 관의 홀 내벽에 도핑된 코어를 포함하는 광 섬유 모재.
  3. 삭제
  4. 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다각형 코어 광섬유의 제조방법:
    (a) 단면의 최외각이 원형인 클래딩 관의 내벽에 원형 단면인 코어를 도핑하는 단계,
    (b) 상기 도핑된 클래딩 관의 단면의 최외각이 다각형이 되도록 상기 클래딩 관의 외부를 연마하는 단계, 및
    (d) 상기 연마된 클래딩 관을 인출하는 단계.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 포함 다각형 코어 광섬유의 제조방법:
    (a) 단면의 최외각이 원형인 클래딩 관의 내벽에 원형 단면인 코어 관을 도핑하는 단계,
    b) 상기 도핑된 클래딩 관의 단면의 최외각이 다각형이 되도록 상기 클래딩 관의 외부를 연마하는 단계,
    (c) 상기 클래딩 관의 양 말단의 홀을 봉합하는 단계, 및
    (d) 상기 양 말단의 홀이 봉합된 클래딩 관을 인출하는 단계.
  9. (i) 단면의 최외각이 다각형인 코어,
    (ii) 상기 코어를 둘러싸고 단면 최외각이 원형인 클래딩 관, 및
    (iii) 상기 코어 내부에 존재하는 단면 원형인 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 포함 다각형 코어 광섬유.
  10. 제9항에 있어서, 상기 코어는 상기 클래딩 관의 내벽에 도핑되어 형성된 것을 특징으로 하는 홀 포함 다각형 코어 광섬유.
  11. 제8항의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 홀 포함 다각형 코어 광섬유.
  12. 삭제
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 홀 포함 다각형 코어 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기기.
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