KR101514086B1 - 파이버 옵틱 - Google Patents

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아키라 토미나가
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

이 파이버 옵틱은 광을 전반(傳搬)하는 코어 유리로 이루어지는 코어와 코어의 외주부를 덮고 코어 유리보다 굴절률이 낮은 클래드 유리로 이루어지는 클래드를 각각 구비하는 복수의 파이버와, 복수의 파이버의 사이에 배치되고 복수의 파이버로부터 누설되는 광을 흡수하는 흡수체 유리를 구비한다. 복수의 파이버는 묶어 일체화되어 있다. 흡수체 유리는 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유한다.
파이버 옵틱, 코어, 클래드, 흡수체, 일체화, 철산화물

Description

파이버 옵틱{FIBER OPTIC}
본 발명은 파이버 옵틱(fiber optic)에 관한 것이다.
파이버 옵틱(FO : Fiber Optic)은 광을 전반(傳搬)하는 복수의 파이버를 묶어 일체화하여 구성된 이미지 소자(image device)로, 예를 들면, 이미지 인텐시파이어(intensifier)나 CRT의 페이스 플레이트(face plate), CCD 커플링(coupling) 등 광학 기기의 광도파로로서 이용되고 있다.
이러한 FO에 있어서, 광을 전반하는 파이버로부터 누설되는 광(미광(迷光))이 다른 파이버에 입사하는 것을 방지함으로써 해상도의 열화나 노이즈(noise)의 발생을 방지하는 구성이 알려져 있다. 예를 들면, 코어(core) 사이에 흡수체를 개재시켜 미광을 흡수하는 구성이다.
이러한 흡수체에는 산화물 착색제가 함유되어 있고, 이 산화물 착색제가 흡수체의 흡수 특성을 결정한다. 예를 들면, Fe2O3을 산화물 착색제로서 채용하는 경우, 가시광 영역에 있어서의 흡수체의 흡수 특성이 양호하게 되는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 또, FeO를 산화물 착색제로서 채용하는 경우, 근적외선 영역에 있어서의 흡수체의 흡수 특성이 양호하게 된다. 이 때문에 FeO와 Fe2O3을 포함하게 함으로써 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 있어서의 흡수체의 흡수 특성이 양호하게 되는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 2, 특허 문헌 3 참조).
　　 <특허 문헌 1> 일본국 특허공개 1990-38343호 공보
　　 <특허 문헌 2> 일본국 특허공개 1997-71436호 공보
　　 <특허 문헌 3> 일본국 특허공개 2003-137595호 공보
<발명이 해결하고자 하는 과제>
이와 같이 흡수체의 흡수 특성은 FO의 해상도에 크게 영향을 주기 때문에 더욱 흡수체의 흡수 능력 향상이 요망되고 있다.
본 발명은 이러한 기술 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 흡수체의 흡수 능력이 큰 폭으로 향상된 FO를 제공하는 것을 목적으로 한다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 열심히 연구를 거듭한 결과 흡수체 유리에 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유시킴으로써 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 있어서의 흡수 능력이 큰 폭으로 개선되는 것을 찾아내었다.
즉, 본 발명과 관련되는 FO는 광을 전반하는 코어 유리로 이루어지는 코어와 코어의 외주부를 덮고 코어 유리보다 굴절률이 낮은 클래드 유리(clad glass)로 이루어지는 클래드를 각각 구비하는 복수의 파이버와, 복수의 파이버의 사이에 배치되고 복수의 파이버로부터 누설되는 광을 흡수하는 흡수체 유리를 구비하고, 복수의 파이버는 묶어 일체화되어 있고, 흡수체 유리가 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하고, 상기 흡수체 유리의 철산화물 결정인 Fe3O4가 상기 흡수체 유리 내에 입상으로 석출되어 이루어지고, 상기 흡수체 유리가 Al2O3을 더 함유한다.
이와 같이 흡수체 유리의 산화물 착색제로서 산화물 착색제인 FeO 또는 Fe2O3보다 흡수 능력이 높은 철산화물 결정인 Fe3O4를 채용함으로써 흡수체 유리의 흡수 능력을 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 걸쳐서 충분히 높일 수가 있다. 이에 의해 해상도의 열화나 노이즈가 적은 FO를 형성할 수가 있다. 또, 이 흡수체 유리는 환경 부하 물질인 납화합물을 필요로 하지 않기 때문에 폐기시에 있어서의 환경오염을 저감할 수 있다.
또, FO에 있어서, 흡수체 유리가 복수의 파이버의 사이에 배치되고 복수의 파이버의 외주부를 덮어도 좋다. 혹은, FO에 있어서, 복수의 흡수체 유리를 구비하고, 클래드가 복수의 흡수체 유리의 사이에 배치되고 복수의 흡수체 유리의 외주부를 덮어도 좋다. 이와 같이 구성한 경우라도 흡수체 유리의 흡수 특성을 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 걸쳐서 충분히 높일 수가 있다.
또, FO에 있어서, 흡수체 유리가 질량 백분율로 18%보다 크고 30% 미만의 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하는 것이 바람직하다. 흡수체 유리에 철산화물 결정인 Fe3O4를 18%보다 크게 함유시킴으로써 보다 높은 흡수 능력을 얻을 수 있다. 또, 흡수체 유리에 철산화물 결정인 Fe3O4를 30% 미만의 범위로 함유시킴으로써 흡수체 유리를 균질하게 형성할 수가 있다.
또, FO에 있어서, 흡수체 유리의 철산화물 결정인 Fe3O4가 흡수체 유리 내에 입상(粒狀)으로 석출되어 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같이 철산화물 결정인 Fe3O4가 입상으로 존재함으로써 Fe3O4가 덩어리로 존재하는 경우에 비해 Fe3O4의 전체 표면적이 커지기 때문에 흡수체 유리의 흡수 능력을 큰 폭으로 향상할 수가 있다.
또, FO에 있어서, 흡수체 유리는 Al2O3을 더 함유하는 것이 바람직하다. 이에 의해 Al2O3이 결정화 촉진제의 기능을 하기 때문에 철산화물 결정인 Fe3O4의 결정 석출을 촉진할 수가 있다. 따라서, 철산화물 결정인 Fe3O4의 결정 석출을 효율 좋게 행할 수가 있다. 또, Al2O3이 결정핵 형성제로서 작용함으로써 석출되는 Fe3O4의 결정수를 증대할 수가 있다. 이에 의해 동일 질량의 Fe3O4라도 개개의 결정 크기가 작아지고, 결정 전체의 전체 표면적이 커지기 때문에 흡수체 유리의 흡수 능력을 큰 폭으로 향상할 수가 있다.
또, FO에 있어서, 흡수체 유리는 질량 백분율로 7% 미만의 Al2O3을 함유하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 흡수체 유리에 Al2O3을 7% 미만의 범위로 함유시킴으로써 흡수체 유리를 균질하게 형성할 수가 있다. 7% 이상이라면 유리의 균질한 용융을 할 수 없게 되는 경향이 있다.
또, 본 발명과 관련되는 FO는, 코어 유리를 클래드 유리로 피복한 복수의 싱글 파이버(single fiber)와, 열처리에 의해 석출한 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하는 복수의 흡수체 유리를 가열 융착하면서 연신하여 형성되고, 상기 흡수체 유리의 철산화물 결정인 Fe3O4가 상기 흡수체 유리 내에 입상으로 석출되어 이루어지고, 상기 흡수체 유리가 Al2O3을 더 함유한다. 또, 본 발명과 관련되는 FO는, 코어 유리를 클래드 유리로 피복한 복수의 싱글 파이버와, Fe2O3을 함유하는 복수의 제1 흡수체 유리를 가열 융착하면서 연신하여 형성되고, 복수의 제1 흡수체 유리로 형성되는 복수의 제2 흡수체 유리가, 가열 융착시의 열에 의해 석출한 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하여 형성되고, 상기 제2 흡수체 유리의 철산화물 결정인 Fe3O4가, 상기 제2 흡수체 유리 내에 입상으로 석출되어 이루어지고, 상기 제2 흡수체 유리가, Al2O3을 더 함유한다. 이와 같이 제조된 FO는, 상술의 FO와 같은 효과를 얻을 수 있다.
<발명의 효과>
본 발명에 의하면, FO에 있어서, 철산화물 결정인 Fe3O4를 이용하여 흡수체의 흡수 특성을 큰 폭으로 향상할 수가 있다.
도 1은 제1 실시 형태와 관련되는 FO(1)의 사시도이다.
도 2는 도 1의 FO(1)의 내부 구조를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 FO(1)에 이용하는 싱글 파이버(single fiber)(20)의 제조 공정을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1의 FO(1)에 이용하는 멀티 파이버(multi-fiber)(22)의 제조 공정을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 멀티 파이버(22)를 고온 프레스(press)하는 제조 공정을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 4의 멀티 파이버(22)를 프레스하여 형성된 잉곳(ingot)의 사시도이다.
도 7은 제2 실시 형태와 관련되는 FO(2)의 내부 구조를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7의 FO(2)에 이용하는 싱글 파이버(26)의 제조 공정을 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 7의 FO(2)에 이용하는 멀티 파이버(30)의 제조 공정을 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 7의 FO(2)에 이용하는 멀티 파이버(30)의 제조 공정을 나타내는 사시도이다.
도 11은 FO의 흡수체 유리의 현미경 사진이다.
도 12는 FO의 흡수체 유리의 라먼 스펙트럼(Raman spectrum)이다.
도 13은 Fe3O4의 참고 라먼 스펙트럼(Raman spectrum)이다.
도 14는 Fe2O3의 참고 라먼 스펙트럼(Raman spectrum)이다.
도 15는 열처리 전후에 있어서의 흡수체 유리의 분광 투과율 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16은 제조한 흡수체 유리의 조성과 특성을 나타내는 도표이다.
도 17은 FO의 코어 유리, 클래드 유리의 조성 및 특성의 예를 나타낸 도표이다.
도 18은 경사(slant) FO의 투과율 측정도이다.
도 19는 경사(slant) FO의 투과율 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
<부호의 설명>
1, 2 파이버 옵틱(FO)
10 코어(core) 11 코어 유리
12 클래드(clad) 13 클래드 유리
14 흡수체 유리
15 파이버
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 또, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 중복된 설명을 생략한다. 또, 도면 중의 치수 비율은 반드시 설명 중의 것과는 일치하고 있지는 않다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태와 관련되는 FO(1)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 FO(1)의 내부 구조를 확대하여 나타낸 사시도이다. 도 1에 나타내는 FO(1)은 복수의 광섬유를 다발로 하여 일체화한 광학 소자로서, 입사면(2) 및 출사면(3)을 가진다. 이 FO(1)은 입사면(2)으로부터 입사된 광이나 상(像)(50)을 출사면(3)에 전달하는 기능을 구비하고 있고, 예를 들면, 이미지 인텐시파이어(image intensifier)나 CRT의 페이스 플레이트(face plate), CCD 커플링(coupling), 지문 검출기 등 광학 기기의 광도파로로서 이용되는 것이다.
도 2에 나타내듯이 FO(1)은 코어(10)와 클래드(12)로 이루어지는 파이버(15)를 복수 묶어 일체화하여 형성되어 있다. FO(1)은 광상(光像)을 전달하는 복수의 코어(10)와, 복수의 코어(10)의 외주부를 각각 피복하는 복수의 클래드(12)와, 파이버(15)의 사이에 배치되고 파이버(15)로부터 누설되는 광(미광(迷光))을 흡수하는 흡수체 유리(14)를 가지고 있다.
복수의 코어(10)는 가는 파이버의 형상으로 이루어지고, 축선 방향과 교차하는 방향으로 정렬되어 배치되고 설치되어 있다. 이 코어(10)는 코어 유리에 의해 형성되고, 한쪽의 단으로부터 입사된 광을 다른 한쪽의 단으로 전달하는 기능을 구비하고 있다.
클래드(12)는 복수의 코어(10) 각각에 대응하여 복수 설치되어 있고, 코어 유리보다 굴절률의 낮은 클래드 유리에 의해 형성된다. 이 클래드(12)의 굴절률이 코어(10)의 굴절률보다 낮기 때문에, 코어(10) 내에 입사한 광은 코어(10)와 클래드(12)의 경계면에서 전반사된다. 따라서, 코어(10)는 광을 한쪽의 단으로부터 다른 한쪽의 단으로 전반할 수가 있다.
코어(10), 클래드(12)를 형성하는 코어 유리, 클래드 유리는 유리 그물코 형성 산화물(NWF : Network　former)인 SiO2를 주성분으로서 구성되어 있다. 또, 코어 유리 및 클래드 유리는 단독으로는 유리로 되지 않고 NWF와 용융함으로써 유리에 적당한 성질을 부여하는 유리 그물코 수식 산화물(NWM : Network modifier)이나 양자의 중간적인 성질을 가지는 중간 산화물을 포함하여 구성되어도 좋다.
또, 복수의 파이버(15)의 사이에는 미광을 흡수하는 흡수체 유리(14)가 개재되어 있다. 이 흡수체 유리(14)는 파이버(15)의 외주부를 덮어 배치되고 설치되어 있다. 또, 흡수체 유리(14)를 EMA(Extra　Mural　Absorption) 로 칭하고 상술의 구성으로 이루어지는 FO(1)을 제조하는 방법을 EMA 방법이라고 칭한다.
흡수체 유리(14)는 산화물 착색제이고 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하고 있다. 그리고, 이 Fe3O4는 폭넓은 흡수 파장 영역을 가지고, 산화물 착색제로서 이용되고 있는 Fe2O3보다 뛰어난 흡수 능력을 가지고 있다. 이 때문에 흡수체 유리(14)에 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유시킴으로써 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 걸쳐 뛰어난 흡수 특성을 얻을 수 있다. 또, 흡수체 유리(14)에 있어서, 철산화물 결정인 Fe3O4의 함유율은 흡수체 유리(14)의 전체 구성 재료를 기준으로 하여 질량 백분율로 18%보다 크고 30% 미만인 것이 바람직하고, 18%보다 크고 25% 이하인 것이 보다 바람직하다. 흡수체 유리(14)에 Fe3O4를 18%보다 크게 함유시킴으로써 보다 높은 흡수 능력을 얻을 수 있다. 또, 흡수체 유리(14)에 Fe3O4를 30% 미만의 범위로 함유시킴으로써 흡수체 유리(14)를 균질하게 형성할 수가 있다.
또, 흡수체 유리(14)는 NWF인 SiO2를 함유하고 있다. 또, 이 흡수체 유리(14)는 NWF인 B2O3을 더 함유해도 좋다. SiO2 및 B2O3은 유리의 골격을 형성하는 재료이다. 이러한 함유율은 흡수체 유리(14)의 흡수 특성, 안정성, 및 강도를 손상시키지 않는 한 특히 제한되지 않지만, 예를 들면, SiO2는 흡수체 유리(14)에 질량 백분율로 27∼46%의 범위로 함유되고, B2O3은 흡수체 유리(14)에 질량 백분율로 5∼20%의 범위로 함유된다.
또, 흡수체 유리(14)는 Al2O3을 더 함유해도 좋다. Al2O3은 유리의 화학적 내구성을 높일 뿐만 아니라, 산화물 착색제인 철산화물(Fe3O4)의 결정화를 촉진하는 작용을 가지고 있다. 이 때문에 흡수체 유리(14)에 Al2O3을 함유시킴으로써 열처리시에 있어서 철산화물 결정인 Fe3O4의 미세 결정이 다수 석출되고 입상으로 성장한다. 또, 흡수체 유리(14)에 있어서, Al2O3를 질량 백분율로 7% 미만의 범위로 함유시킴으로써 흡수체 유리(14)를 균질하게 형성할 수가 있다.
또, 흡수체 유리(14)는 K2O 및 Na2O를 더 함유해도 좋다. K2O 및 Na2O는 흡수체 유리(14)의 열팽창 계수를 높임과 아울러, 유리 전이점 및 굴복점을 낮추고, 유리의 용융을 용이하게 하는 작용을 가진다. 예를 들면, K2O는 흡수체 유리(14)에 질량 백분율로 3∼11%의 범위로 함유되고, Na2O는 흡수체 유리(14)에 질량 백분율로 0∼10%의 범위로 함유된다.
또, 흡수체 유리(14)는 CaO를 더 함유해도 좋다. CaO는 Na＋나 K＋ 등의 알칼리 이온(ion)의 움직임을 억제하여 유리의 화학적 내구성을 높이는 작용을 가지고 있고, 예를 들면, 흡수체 유리(14)에 질량 백분율로 0∼3.5%의 범위로 함유된다.
또, 흡수체 유리(14)는 BaO를 더 함유해도 좋다. BaO는 유리의 용해를 용이하게 하는 작용을 가지고 있고, 예를 들면, 흡수체 유리(14)에 질량 백분율로 0∼4.6%의 범위로 함유된다.
상술한 흡수체 유리(14)를 구비한 FO(1)에 있어서, FO(1)의 입사면(2)에 입사한 광은 코어(10) 내에서 전반사를 반복하여 출사면(3)에 전달된다. 이때 전반사하지 않고 코어(10)로부터 누설되는 광(미광)이 생기는 경우가 있지만, 복수의 코어(10)의 사이에 개재하는 흡수체 유리(14)는 철산화물 결정인 Fe3O4 입자를 포함하고 있고, 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 걸쳐서 양호한 흡수 특성을 가지고 있기 때문에 미광이 다른 코어(10)로 입사하는 현상을 충분히 방지할 수가 있고, 가시광 영역만이 아니라 근적외선 영역에 있어서도 고해상도를 유지하면서 이미지 전달할 수가 있다.
이상과 같이 제1 실시 형태에 의하면, 흡수체 유리(14)에 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유시킴으로써 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 있어서의 흡수 능력을 큰 폭으로 개선할 수 있다. 이에 의해 해상도의 열화나 노이즈가 적은 FO(1)을 형성할 수가 있다. 또, 이 흡수체 유리(14)는 환경 부하 물질인 납화합물을 필요로 하지 않기 때문에 폐기시에 있어서의 환경오염을 저감할 수 있다.
또, FO(1)에 있어서, 철산화물 결정인 Fe3O4가 입상으로 존재함으로써 Fe3O4가 덩어리로 존재하는 경우에 비해 Fe3O4의 전체 표면적이 커지기 때문에 흡수체 유리(14)의 흡수 능력을 큰 폭으로 향상할 수가 있다.
또, FO(1)에 있어서, Al2O3이 결정핵 형성제의 기능을 하기 때문에 철산화물 결정인 Fe3O4의 결정 석출을 촉진할 수가 있다. 따라서, 철산화물 결정인 Fe3O4의 결정 석출을 효율 좋게 행할 수가 있다. 또, Al2O3이 결정핵 형성제로서 작용함으로써 석출하는 철산화물 결정인 Fe3O4의 결정수를 증대할 수가 있다. 이에 의해 동일 질량의 Fe3O4라도 개개의 결정 크기가 작아지고, 결정 전체의 전체 표면적이 커지기 때문에 흡수체 유리(14)의 흡수 능력을 큰 폭으로 향상할 수가 있다.
다음에, 제1 실시 형태와 관련되는 FO(1)의 제조 방법에 대해서 도 3∼6을 이용하여 설명한다. 도 3∼6은 FO(1)의 제조 공정을 나타낸다.
우선, 도 3에 나타내듯이 싱글 파이버(20)를 제조한다. 이 싱글 파이버(20)는 코어 유리(11)와 그 주위를 피복하는 클래드 유리(13) 및 흡수체 유리(16)로 형성되어 있다. 이 흡수체 유리(16)(제1 흡수체 유리)는 후에 결정화하여 Fe3O4로 되는 Fe2O3을 함유하고 있다. 또, 도 1에 나타내는 FO(1)의 코어(10), 클래드(12), 및 흡수체 유리(14)(제2 흡수체 유리)는 각각 도 3에 나타내는 코어 유리(11), 클래드 유리(13), 및 흡수체 유리(16)에 의해 형성된다. 코어 유리(11), 클래드 유리(13), 및 흡수체 유리(16)로 이루어지는 복합체(17)를 가열 장치를 통과시키고 롤러로 연신함으로써 그 단면이 복합체(17)와 상사형인 싱글 파이버(20)가 얻어진다.
다음에, 제조한 싱글 파이버(20)를 이용하여 도 4에 나타내는 것 같은 멀티 파이버(22)를 제조한다. 복수의 싱글 파이버(20)를 정렬시켜 가열 장치를 통과시키 고 롤러로 연신함으로써 복수의 싱글 파이버(20)는 가열 융착되어 멀티 파이버(22)가 얻어진다.
다음에, 도 5에 나타내듯이 멀티 파이버(22)를 가열 프레스 장치(40)의 팔각형의 금형에 정렬하여 고온 프레스함으로써, 복수의 멀티 파이버(22)는 가열 융착되어 도 6에 나타내는 것 같은 팔각기둥 모양의 잉곳(ingot)(24)이 얻어진다.
상술의 도 3∼도 5에 나타낸 공정 중에서 행해진 가열 처리에 의해, 흡수체 유리(16)에 있어서 Fe2O3이 결정화하고 입상의 철산화물 결정인 Fe3O4로 되어 석출된다.
다음에, 잉곳(ingot)(24)을 축선 방향으로 수직에 슬라이스(slice)하고 연마함으로써 도 1 및 도 2에 나타내는 FO(1)이 완성된다.
이상의 공정에 의해 흡수체 유리(14)로 철산화물 결정인 Fe3O4의 입자가 석출된 FO(1)이 제조된다. 이 제법의 경우 통상의 FO 제조 공정 내의 열에 의해 입상의 Fe3O4가 형성되기 때문에, 새로운 설비를 필요로 하지 않아 비용면에서 우수하다. 또, 도 3에 있어서, Fe2O3을 함유하는 흡수체 유리(16)를 이용하여 싱글 파이버(20)를 제조하는 공정을 설명했지만, Fe2O3을 함유하는 흡수체 유리(16)의 열처리를 사전에 행하고, 철산화물 결정인 Fe3O4를 입상으로 석출시킨 흡수체 유리(14)를 이용하여 싱글 파이버(20)를 제조해도 좋다. 예를 들면, 전기로를 이용하여 Fe2O3을 함유하는 흡수체 유리(16)를 750℃에서 1시간 보유하고, 그 후 자연 냉각시킨 것을 싱글 파이버(20)의 원료로 한 경우에도, 흡수체 유리(14)에 철산화물 결정인 Fe3O4의 입자가 확실히 석출된 FO(1)이 제조된다.
(제2 실시 형태)
다음에 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 7은 제2 실시 형태와 관련되는 FO(2)의 내부 구조를 나타낸 사시도이다. 제2 실시 형태는, 제1 실시 형태와 관련되는 FO(1)와 거의 같이 구성되는 것이고, 복수의 코어(10)의 사이에 흡수체 유리(14)가 복수로 분할되어 설치되어 있는 점에서 제1 실시 형태와 다르다.
　즉, 제1 실시 형태에 있어서는, 클래드(12)가 복수 존재해 복수의 코어(10)의 외주부를 각각 피복하는 구성으로 되어 있었지만, 제2 실시 형태에 있어서는, 클래드(12)가 일체화하여 복수의 코어(10)의 외주부를 덮는 구성으로 되어 있다. 또, 제1 실시 형태에 있어서는, 흡수체 유리(14)가 클래드(12)의 외주부를 피복하는 구성으로 되어 있었지만, 제2 실시 형태에 있어서는, 클래드(12)가, 복수의 흡수체 유리(14)의 외주부를 피복하는 구성으로 되어 있다. 또, 상술의 구성으로 이루어지는 FO(2)를 제조하는 방법을 ISA(Interstitial　Absorption) 방법이라고 칭한다.
또, FO(2)의 코어(10), 클래드(12), 및 흡수체 유리(14)에 이용되는 재료는 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 이러한 재료에 의해 FO(2)를 구성하는 경우, FO(2)의 입사면에 입사한 광은 코어(10) 내에서 전반사를 반복하여 출사면에 전달된다. 이때 전반사하지 않고 코어(10)로부터 누설되는 광(미광)이 생기는 경우가 있지만, 복수의 코어(10)의 사이에 개재하는 복수의 흡수체 유리(14)는 철산화물 결정인 Fe3O4 입자를 포함하고 있고, 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 걸쳐서 양호한 흡수 특성을 가지고 있기 때문에 미광이 다른 코어(10)로 입사하는 현상을 충분히 방지할 수가 있고, 가시광 영역만이 아니라 근적외선 영역에 있어서도 고해상도를 유지하면서 이미지 전달할 수가 있다.
이상과 같이, 제2 실시 형태에 의하면, 흡수체 유리(14)에 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유시킴으로써 가시광 영역으로부터 근적외선 영역에 있어서의 흡수 능력을 큰 폭으로 개선할 수 있다. 이에 의해 해상도의 열화나 노이즈가 적은 FO(2)를 형성할 수가 있다.
이하에서는 제2 실시 형태와 관련되는 FO(2)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 8, 9, 및 10은 FO(2)의 제조 공정을 나타낸다.
우선, 도 8에 나타내듯이 싱글 파이버(26)를 제조한다. 이 싱글 파이버(26)는 흡수체 유리를 구비하지 않는 점에서 제1 실시 형태의 싱글 파이버(20)와 상위하고 코어 유리(11)와 그 주위를 피복하는 클래드 유리(13)로 형성되어 있다. 코어 유리(11) 및 클래드 유리(13)로 이루어지는 복합체(19)를 가열 장치를 통과시키고 롤러로 연신함으로써 그 단면이 복합체(19)와 상사형인 싱글 파이버(26)가 얻어진다.
다음에, 도 9에 나타내듯이 복수의 싱글 파이버(26)의 사이에 복수의 흡수체 파이버(28)(제1 흡수체 유리)를 배치하고 이것들을 정렬시킨다. 그리고, 도 10에 나타내듯이 이것을 가열 장치를 통과시키고 롤러로 연신함으로써 싱글 파이버(26) 및 흡수체 파이버(28)는 가열 융착되어 멀티 파이버(30)가 얻어진다. 또, 흡수체 파이버(28)는 흡수체 유리를 용융하여 연신시킨 것이고, 제1 실시 형태의 흡수체 유리(16)와 마찬가지의 조성이다.
다음에, 제조한 복수의 멀티 파이버(30)를 정렬시키고, 가열 장치를 통과시키고 롤러로 연신함으로써 멀티-멀티 파이버(multi-multi fiber)(미도시)를 제조한다. 이와 같이 제조한 멀티-멀티 파이버를 가열 프레스 장치의 금형에 정렬시키고, 고온 프레스함으로써, 멀티-멀티 파이버는 가열 융착되어 제1 실시 형태와 마찬가지로 팔각기둥 모양의 잉곳(ingot)이 얻어진다. 이 잉곳(ingot)을 슬라이스하고 연마함으로써 FO(2)가 완성된다.
또, 상술의 공정 중에서 행해진 가열 처리에 의해, 흡수체 파이버(28)에 있어서 Fe2O3이 결정화하고 입상의 철산화물 결정인 Fe3O4로 되어 석출된다.
이상의 공정에 의해, 흡수체 유리에 철산화물 결정인 Fe3O4의 입자가 석출된 FO(2)가 제조된다. 또, 도 9에 있어서, Fe2O3을 가지는 흡수체 파이버(28)를 이용했지만, 사전에 Fe2O3을 가지는 흡수체 유리의 열처리를 하고, 철산화물 결정인 Fe3O4를 입상으로 석출시킨 흡수체 파이버를 이용해도 좋다. 예를 들면, 전기로를 이용하여 흡수체 유리를 750℃에서 1시간 보유하고, 그 후 자연 냉각시킨 것을 흡수체 파이버의 원료로 한 경우에도, 흡수체 유리에 철산화물 결정인 Fe3O4의 입자가 확실히 석출된 FO(2)가 제조된다.
(실시예)
이하, 실시 형태와 관련되는 FO의 효과에 대해서, 실험 결과에 기초하여 상세하게 설명한다. 본 발명자들은, SiO2, B2O3, Al2O3, Na2O, K2O, CaO, BaO, Fe2O3을 함유하는 흡수체 유리를 제조하였다. 또, 이 흡수체 유리를 750℃에서 1시간 열처리를 하고, 질량 백분율로 SiO2를 34.5%, B2O3을 18.2%, Al2O3을 3.6%, Na2O를 9.1%, K2O를 4.5%, CaO를 2.7%, BaO를 4.5%, 및 Fe3O4를 22.7% 함유하는 흡수체 유리를 제조하였다.
이 흡수체 유리의 구조를 이하의 순서로 평가하였다. 우선, 열처리 후의 흡수체 유리를 투과광 관찰이 가능한 두께로 가공하여 현미경으로 관찰하였다. 흡수체 유리의 현미경 사진을 도 11에 나타낸다. 또, 열처리 후의 흡수체 유리에 포함되는 철산화물의 구조를 레이저 라먼(Raman) 분광 분석에 의해 해석하였다. 흡수체 유리의 라먼 스펙트럼을 도 12에 나타낸다. 또, 도 13 및 도 14는 도 12와 비교하기 위한 참고 스펙트럼이고, 도 13은 철산화물 결정의 Fe3O4의 라먼 스펙트럼을 나타내고, 도 14는 철산화물 결정의 Fe2O3의 라먼 스펙트럼을 나타낸다.
도 11의 현미경 사진으로부터 이 흡수체 유리에는 약 1㎛의 결정이 열처리에 의해 다수 석출되고 있는 것이 확인되었다. 또, 도 12에 나타내는 라먼 스펙트럼은 도 14에 나타내는 철산화물 결정의 Fe2O3의 라먼 스펙트럼보다 도 13에 나타내는 철산화물 결정의 Fe3O4의 라먼 스펙트럼에 가깝기 때문에, 흡수체 유리에는 철산화물 결정의 Fe3O4(마그네타이트)가 석출되고 있는 것이 확인되었다. 이에 의해 도 11에 나타낸 석출 입자는 철산화물 결정의 Fe2O3(γ-마그헤마이트)이 아니고 철산화물 결정의 Fe3O4인 것이 확인되었다.
다음에, 열처리 후에 있어서의 철산화물 결정의 Fe3O4의 결정화의 효과를 확인하기 위해서 흡수체 유리의 투과율을 이하의 순서로 평가하였다. 우선, 열처리전의 흡수체 유리를 푸른 판유리에 에폭시 접착제로 접착하고, 두께 150㎛까지 얇게 랩(wrap) 연마하였다. 이 흡수체 유리에 분광기를 이용하여 파장 약 600∼약 980㎚의 LED의 광을 입사시키고, 분광 투과율을 측정하였다. 다음에, 마찬가지의 방법으로 열처리 후의 흡수체 유리의 분광 투과율 측정을 하였다. 열처리 전후에 있어서의 흡수체 유리의 분광 투과율 측정 결과를 도 15에 나타낸다.
도 15에 나타내듯이 열처리전의 흡수체 유리는 약 600∼약 980㎚의 파장 영역에 있어서 약 10% 이상의 투과율을 가지고 있었지만, 열처리 후의 흡수체 유리는 약 600∼약 980㎚의 파장 영역에 있어서 1×10-3% 이하의 투과율로 되고, 특히 약 600㎚∼약 750㎚의 범위에서는 약 1×10-5∼약 1×10-6%라고 하는 매우 낮은 투과율로 되었다. 이에 의해 열처리 후의 흡수체 유리의 투과율은 열처리전의 흡수체 유리의 투과율에 비해 큰 폭으로 감소하는 것이 확인되었다.
이상에 의해, 열처리에 의해 흡수체 유리에 Fe3O4가 결정화하여 석출됨으로써 흡수 능력이 큰 폭으로 향상하는 것이 확인되었다. 또, 철산화물 결정의 Fe3O4가 입자화함으로써 동일 질량에 있어서 전체 표면적이 증가하였기 때문에 흡수 능력이 큰 폭으로 향상하는 것이 확인되었다.
다음에, 본 발명자들은 철산화물의 함유율을 변화시킨 흡수체 유리를 제조하였다. 도 16은 이들 제조한 흡수체 유리를 냉각 후 750℃ - 1시간 열처리를 행한 No.1∼13의 시료에 대해서 각각의 유리의 조성의 질량 백분율(흡수체 유리 제조 후의 수치), 열팽창 계수, 유리 전이점, 굴복점, 유리화 상태, 및 파장 850㎚의 광에 대한 투과율을 나타내고 있다. 또, No.5의 시료는 열처리 전후에 있어서 구조 해석 및 분광 투과율 측정을 실시한 흡수체 유리와 마찬가지의 조성이다. 또, Fe3O4를 함유하는 흡수체 유리와의 비교예로서 Fe3O4를 실질적으로 함유하지 않는 시료 No.1 및 No.3을 제조하였다. 또, 이러한 흡수체 유리의 투과율은 시료의 두께를 100㎛까지 랩(wrap) 연마하고, 전술한 분광 투과율 측정 장치로 파장 850㎚로 고정하여 측정하였다. 또, 도 16의 시료 No.2에 있어서 표시하고 있지 않은 나머지의 조성은 질량 백분율로 ZnO : 4.5%와 La2O3 : 4.5%이다.
우선, 철산화물이 Fe3O4로 된 흡수체 유리의 투과율과 철산화물이 Fe2O3인 채로 결정화되어 있지 않은 흡수체 유리의 투과율을 비교하였다. No.1과 No.3에 나타내듯이 철산화물이 Fe2O3인 채인 흡수체 유리는 파장 850㎚의 입사광에 대해서 약 10∼20%의 투과율을 가지고 있지만, No.2 및 No.4∼13에 나타내는 철산화물이 Fe3O4 로 된 흡수체 유리는 파장 850㎚의 입사광에 대해서 약 1×10-5∼약 1×10-6%의 투과율을 가지고 있었다. 이에 의해 철산화물이 Fe3O4로 된 흡수체 유리는 철산화물이 Fe2O3인 채인 흡수체 유리에 비해 큰 폭으로 낮은 투과율을 가지고 있는 것이 확인되었다.
다음에, 철산화물 결정의 Fe3O4의 함유율에 주목하여 흡수체 유리의 유리화 상태를 확인하였다. No.1∼12의 시료, 즉 Fe3O4의 함유율이 질량 백분율로 18.2∼25%인 시료에 대해서 유리화 상태가 양호하다고 하는 것이 확인되었다. 그러나, No.13의 시료, 즉 철산화물 결정의 Fe3O4의 함유율이 질량 백분율로 30%인 시료에 있어서는, No.1∼12의 시료에 비해 유리화 상태가 불충분하였다. 따라서, 철산화물 결정의 Fe3O4의 함유율이 질량 백분율로 30% 미만의 범위에 있어서 유리화를 양호하게 행할 수가 있다.
다음에, 유리 중에 철산화물의 결정이 석출되기 위한 조건에 대해서 검토하였다. 유리 중에 결정을 적출시키는 데에는 결정핵 생성과 결정 성장의 공정이 필요하다. 이 결정핵 생성에는 많은 경우에 결정핵 형성제가 사용되고 있다. 이 결정핵 형성제를 유리에 첨가하여 열처리를 하면, 결정핵 형성 성분을 포함하는 다수의 미세 결정이 석출되고, 그들의 주위에 주결정이 성장한다. 또, 이러한 결정핵 생성 및 결정 성장의 속도는 유리의 점성과 역비례의 관계에 있다. 따라서, 점성이 낮은 유리의 쪽이 원자의 이동이 용이하게 되고 결정핵 생성 및 결정 성장이 진행된다. 유리의 점성에 대해서는 굴복 온도(At)가 표준으로 된다. 또한, 결정으로 되는 재료가 유리 중에 충분한 양이 포함되어 있는 것이 필요하다.
본 실시예에 입각해서 결정이 석출되기 쉬운 유리의 조건을 정리하면, (1) 결정핵 형성제로서 Al2O3이 첨가되어 원자의 이동 거리가 짧은 것, (2) 굴복 온도가 낮은 것, 및 (3) 철산화물의 함유율이 일정 이상인 것이다. 이상의 조건을 기본으로 투과율이 큰 시료에 대해서 양호한 결정 석출 조건을 만족하고 있는지 확인하였다. 우선, No.1의 시료에 있어서는, 철산화물의 함유량이 질량 백분율로 18.2%로 낮은 값을 나타내고 있고, 결정으로 되는 재료가 충분히 포함되고 있지 않아 결정화가 일어나기 어려운 것이 확인되었다. 또, No.3의 시료에 있어서는, SiO2의 함유량이 많고 점성이 높아져 있고, 750℃에서 1시간의 열처리 조건에서는 원자의 이동이 충분히 행해지고 있지 않기 때문에 결정화가 일어나기 어려운 것이 확인되었다. 또, Fe3O4가 확인된 No.4의 시료에 있어서도, 철산화물의 함유량이 충분하지 않고, 또 점성도 높기 때문에 충분히 결정화가 일어나지 않는 것이 확인되었다. 이와 같이 No.4의 시료는 충분히 결정화가 일어나지 않았기 때문에 Fe3O4가 결정화한 No.2 및 No.5∼13의 시료에 비해 투과율이 커졌다. 이에 대해 No.2 및 No.5∼13의 시료가 나타내듯이 결정핵 형성제로서 Al2O3을 첨가하고, 한편 굴복 온도가 낮고, 철산화물의 함유율이 일정 이상인 흡수체 유리에 있어서, 양호한 결정 석출이 일어나 흡수 능력이 향상되는 것이 확인되었다.
다음에, 흡수체 유리의 성능 평가를 하였다. FO는 구성 요소인 싱글 파이버의 중심축과 입사면을 경사시켜 가면 점차 공기 중으로부터의 광이 FO 내에 입사할 수 없게 된다. 이 상태로 모든 방향으로부터 FO의 입사면에 광을 입사시키고, FO의 출사면측으로부터 투과해 오는 광량을 측정함으로써 흡수체 유리의 성능 평가가 가능하다. 투과해 오는 광량이 적을수록 성능이 좋다.
우선, No.4 및 No.8에 나타내는 흡수체 유리를 이용하여 경사(slant) FO를 제조하였다. 이러한 흡수체 유리에는 철산화물 결정인 Fe3O4가 포함되어 있고, 전술과 같이 No.8의 흡수체 유리에 포함되는 Fe3O4의 쪽이 No.4에 비해 결정화하고 있다. 또, 비교예로서 No.3에 나타내는 Fe2O3을 함유하는 흡수체 유리를 이용하여 경사 FO를 제조하였다. No.3에 나타내는 Fe2O3의 함유율은 No.4에 나타내는 Fe3O4의 함유율과 같고, 조성에 기인하는 흡수 능력을 비교하는데 있어서 매우 적합하다. 또, 본 실시예로 이용한 코어 유리 및 클래드 유리의 유리 조성, 굴절률, 열팽창 계수, 유리 전이점, 굴복점 및 밀도를 도 17에 나타낸다. 또, 코어 유리는 클래드 유리보다 굴절률이 높으면 족하고, 본 실시예에서는 질량 백분율로 표시한 코어 유리의 조성예를 2개 나타내고 있다. 또, 지문 검출용으로 사용되는 경사 FO에 있어서는 해상도의 관점에서 개구수를 0.35∼0.45로 하는 것이 바람직하다.
제조한 경사 FO의 투과율을 이하의 순서로 평가하였다. 도 18에 나타내듯이 두께 1㎜로 랩(wrap) 연마한 경사 FO(42)에 파장 850㎚의 LED의 광(L)을 오팔(opal) 유리로 이루어지는 확산판(40)을 통해 입사시키고, 투과광을 실리콘 포토 다이오드(photodiode)(44)로 검출하였다. 측정 결과를 도 19에 나타낸다. 또, 도 19에 나타내는 투과율은 도 16의 No.8이 나타내는 흡수체 유리를 이용하는 경우의 경사각 40°에 있어서의 투과율을 100으로 하여 규격화하고 있다.
우선, 도 16의 No.3에 나타내는 Fe2O3을 함유하는 흡수체 유리의 투과율과 No.4에 나타내는 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하는 흡수체 유리(glass)의 투과율을 비교하면, No.4로 나타내는 흡수체 유리의 투과율 쪽이 작은 것이 확인되었다. 또, No.8에 나타내는 흡수체 유리의 투과율과 No.4에 나타내는 흡수체 유리의 투과율을 비교하면, Fe3O4가 보다 결정화되어 있던 No.8에 나타내는 흡수체 유리의 투과율 쪽이 작고 흡수 능력이 뛰어난 것이 확인되었다.
본 실시예에 있어서, 광(L)은 확산판(40)에 의해 여러가지 방향으로 확산되어 경사 FO(42)로 입사되고, 경사각이 큰 경우(여기에서는 40°)는 최대 수광 각도 내의 입사광은 파이버 내를 전달되는 광량과 FO를 횡단하여 오는 광량이 합쳐진 것이 출력으로 되지만, 경사각이 작은 경우(여기에서는 32°∼36°)는 FO를 횡단하여 오는 광량만이 출력으로 된다. 즉, 경사 FO(42)에 입사한 광 중의 최대 수광 각도를 넘는 광(미광)이 FO를 횡단하여 출사하는 광은 Fe3O4의 결정이 석출되고 있는 흡수체 유리를 채용함으로써 차폐할 수 있는 것이 나타났다. 따라서, 해상도의 열화 등을 매우 적합하게 방지할 수가 있다.
또, 상술한 각 실시 형태는 본 발명과 관련되는 FO의 일례를 나타내는 것이다. 본 발명과 관련되는 FO는 이러한 각 실시 형태와 관련되는 FO에 한정되는 것은 아니고, 각 청구항에 기재한 요지를 변경하지 않는 범위에서 각 실시 형태와 관련되는 FO를 변형하고, 또는 다른 것에 적용한 것이라도 좋다.
예를 들면, FO나 경사 FO를 접착제로 접합하여 이용하는 경우에 있어서도 본 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또, 본 발명에 이용되는 싱글 파이버는 본 실시 형태에서 나타낸 형상에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 테이퍼 형상이라도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

Claims (12)

  1. 광을 전반(傳搬)하는 코어 유리로 이루어지는 코어와 상기 코어의 외주부를 덮고 상기 코어 유리보다 굴절률이 낮은 클래드 유리로 이루어지는 클래드를 각각 구비하는 복수의 파이버와,
    상기 복수의 파이버의 사이에 배치되고 상기 복수의 파이버로부터 누설되는 광을 흡수하는 흡수체 유리를 구비하고,
    상기 복수의 파이버는 묶어 일체화되어 있고,
    상기 흡수체 유리가 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하고, 상기 흡수체 유리의 철산화물 결정인 Fe3O4가 상기 흡수체 유리 내에 입상으로 석출되어 이루어지고,
    상기 흡수체 유리가 Al2O3을 더 함유하는 파이버 옵틱.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡수체 유리가, 상기 복수의 파이버의 사이에 배치되고 상기 복수의 파이버의 외주부를 덮는 파이버 옵틱.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 흡수체 유리를 구비하고, 상기 클래드가, 상기 복수의 흡수체 유리의 사이에 배치되고 상기 복수의 흡수체 유리의 외주부를 덮는 파이버 옵틱.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수체 유리가, 질량 백분율로 18%보다 크고 30% 미만의 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하는 파이버 옵틱.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 흡수체 유리가, 질량 백분율로 7% 미만의 Al2O3을 함유하는 파이버 옵틱.
  8. 코어 유리를 클래드 유리로 피복한 복수의 싱글 파이버와, 열처리에 의해 석출한 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하는 복수의 흡수체 유리를 가열 융착하면서 연신하여 형성되고, 상기 흡수체 유리의 철산화물 결정인 Fe3O4가 상기 흡수체 유리 내에 입상으로 석출되어 이루어지고,
    상기 흡수체 유리가 Al2O3을 더 함유하는 파이버 옵틱.
  9. 코어 유리를 클래드 유리로 피복한 복수의 싱글 파이버와, Fe2O3을 함유하는 복수의 제1 흡수체 유리를 가열 융착하면서 연신하여 형성되고,
    상기 복수의 제1 흡수체 유리로 형성되는 복수의 제2 흡수체 유리가, 가열 융착시의 열에 의해 석출한 철산화물 결정인 Fe3O4를 함유하고, 상기 제2 흡수체 유리의 철산화물 결정인 Fe3O4가 상기 제2 흡수체 유리 내에 입상으로 석출되어 이루어지고,
    상기 제2 흡수체 유리가 Al2O3을 더 함유하는 파이버 옵틱.
  10. 광을 전반하는 코어 유리로 이루어지는 코어와 코어의 외주부를 덮고 상기 코어 유리보다 굴절률이 낮은 클래드 유리로 이루어지는 클래드를 구비하는 파이버를 복수 묶어 일체화한 파이버 옵틱의 제조 방법으로서,
    Fe2O3 및 질량 백분율로 7% 미만의 Al2O3을 함유하는 흡수체 유리와 상기 파이버를 가열 융착하는 가열 공정을 구비하고,
    상기 가열 공정의 가열 융착시의 열에 의해, 질량 백분율로 18%보다 크고 30%미만의 Fe3O4 를 상기 흡수체 유리 내에 입상으로 석출시키는 것을 특징으로 하는 파이버 옵틱의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가열 공정은,
    상기 코어 유리, 상기 클래드 유리 및 상기 흡수체 유리로 이루어지는 복합체를 가열 융착하여 연신하여 싱글 파이버를 형성하는 공정과,
    복수의 상기 싱글 파이버를 고온 프레스에 의해 가열 융착하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 파이버 옵틱의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 가열 공정은,
    상기 코어 유리, 상기 클래드 유리로 이루어지는 싱글 파이버와, 상기 흡수체 유리로 이루어지는 흡수체 파이버를 가열 융착하여 멀티 파이버를 형성하는 공정과,
    복수의 상기 멀티 파이버를 고온 프레스에 의해 가열 융착하는 공정을 구비하는 파이버 옵틱의 제조 방법.
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