KR101807835B1

KR101807835B1 - 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101807835B1
Application number: KR1020150119977A
Authority: KR
Inventors: 신우진; 호이러 토마스
Original assignee: 대한광통신 주식회사
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2018-01-18
Also published as: KR20170024687A

Abstract

본 발명은 이산화규소 분말로부터 수율이 매우 높고 직경 조절이 가능하면서 내부 코어의 균일도를 개선시킬 수 있는 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법 및 장치, 이에 따라 제조되는 광섬유에 관한 것이다. 이에 따른 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법은, 내부 중심에 1차 튜브를 구비하고, 상기 1차 튜브를 둘러싸는 2차 튜브를 갖는 이중관 튜브로부터 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 것으로, 상기 1차 튜브에, 제1 물질로 도핑된 이산화규소 분말을 구비하는 단계; 상기 2차 튜브에, 이산화규소 분말을 구비하는 단계; 및 상기 이중관 튜브의 수평절단면을 향하여 레이저를 분사하는 단계를 포함한다.

Description

대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법 및 장치{A METHOD AND A APPARATUS FOR MANUFACTURING OPTICAL FIBER WITH LARGE CALIBER}

본 발명은 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 구체적으로 이산화규소 분말로부터 수율이 매우 높고 직경 조절이 가능하면서 내부 코어의 균일도를 개선시킬 수 있는 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법 및 장치, 이에 따라 제조되는 광섬유에 관한 것이다.

광통신에 이용되는 광섬유 내부 단면을 참고하면, 빛이 전파되는 코어와 코어를 둘러싸는 클래딩으로 구성되어, 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 크기 때문에 광섬유 내부인 코어로 입사된 빛은 코어 내에서 전반사가 이루어진다. 통상적으로, 광섬유를 제작하는 과정에서, 광섬유 모재는 광섬유 제조의 선행 공정(화학적 증착)에 의하여 제작되는 로드(rod)로서, 원하는 굴절률의 분포와 직경 비율을 갖는다.

광섬유 모재 제작시 기본 재료인, 이산화규소(SiO₂; 석영) 유리 또는 플라스틱 등에 대해 굴절률 분포를 조절하기 위한 물질로서 산화게르마늄(GeO₂), 오산화인(P₂O₅), 삼산화붕소(B₂O₃) 등의 불순물을 첨가하게 된다. 이러한 기본 소재와 불순물에 대해, 유리 물질을 화학적으로 증착시키는 화학적 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)에 의하여 제조가 이루어지며, 화학적 증착(CVD)는 이산화규소관의 내부에 증착되는 내부 증착과 이산화규소봉의 외부에 증착되는 외부 증착으로 구분된다. 이 중 전자인 내부 증착은 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)와 PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)로 구분된다.

이러한 광섬유 모재 제작 공정의 하나인 MCVD와 관련하여, 도 1을 참조하면 A, B의 경로를 통하여 원료 가스(A), 산소가스나 수소가스(B)를 인입하고, 가열수단(13)에 의해 내부 증착 유리층(12)을 갖는 이산화규소관(11)을 가열하는 공정에 의한다.

그러나 이와 같은 기존 MCVD 방식에 의하면 가열노(예, 흑연로, graphite furnace)에 의해 넓은 면적을 가열하고 이를 냉각하는 과정에서 광섬유 내부에 기포가 발생하는 문제가 존재하였다. 뿐만 아니라, 광섬유 모재 제작시 이산화규소를 비롯한 불순물 물질은 기체 형태로 주입되어, 증착 공정에 의하여 가열 후 냉각이 이루어지면서 기체 물질이 응고되어 코어로 생성되는데, 기체로부터의 정상적인 코어 형성률이 10%대 수준으로 낮다는 한계점이 있었다.

[1] 미국등록특허 제8,259,389호: Amplifying optical fiber and method of manufacturing [2] 한국특허등록번호 제0628601호: 대구경 광섬유 모재의 제조 방법 및 광섬유 인선 방법 [3] 한국특허공개공보 제2001-7002806호: 광섬유 제조장치 및 그 방법

본 발명은 전술된 문제와 한계점을 개선하고자 착안된 것으로, 이산화규소 분말로부터 수율이 매우 높고 직경 조절이 가능하면서 내부 코어의 균일도를 개선시킬 수 있는 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법 및 장치를 제안하기 위함이다.

본 발명에 따른 제1 양상으로, 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 내부 중심에 1차 튜브를 구비하고, 상기 1차 튜브를 둘러싸는 2차 튜브를 갖는 이중관 튜브로부터 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 것으로, 상기 1차 튜브에, 제1 물질로 도핑된 이산화규소 분말을 구비하는 단계; 상기 2차 튜브에, 이산화규소 분말을 구비하는 단계; 및 상기 이중관 튜브의 수평절단면을 향하여 레이저를 분사하는 단계를 포함한다.

상기 방법은, 상기 이중관 튜브를 회전시키면서, 상기 이중관 튜브의 장축방향으로 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 이중관에서 1차 튜브는 복수 개일 수 있는데, 이 경우 복수 개의 1차 튜브 각각에 서로 다른 물질로 도핑된 이산화규소 분말이 구비된다.

한편, 상기 1차 튜브에 구비되는 이산화규소 분말을 도핑하는 제1 물질은 삼산화이레늄(Re₂O₃), 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 산화이테르븀(Yb₂O₃), 오산화인(P₂O₅)으로 이루어진 그룹 중 선택된 하나 이상일 수 있으며, 이중관 튜브에 대해 분사되는 레이저는 이산화탄소(CO₂) 레이저일 수 있다.

이러한 과정에 의해 광섬유 모재를 제조하는 과정에서 상기 1차 튜브는 코어를 형성하며, 상기 2차 튜브는 클래딩을 형성하게 된다.

본 발명에 따른 제2 양상으로, 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치가 개시된다. 상기 광섬유 모재 제조 장치는, 내부 중심에 하나 이상의 1차 튜브를 구비하고, 상기 1차 튜브를 둘러싸는 2차 튜브를 갖는 이중관형 튜브; 제1 물질로 도핑된 이산화규소 분말을, 상기 이중관형 튜브 중 1차 튜브 각각에 주입하는 하나 이상의 코어 물질 주입구; 상기 이중관형 튜브 중 2차 튜브에 이산화규소 분말을 주입하는 클래딩 물질 주입구; 및 상기 이중관형 튜브의 수평절단면을 향하여 레이저를 분사하는 레이저분사기를 포함한다.

상기 광섬유 모재 제조 장치는, 상기 이중관형 튜브를 회전시키면서 이동시키는 튜브구동부를 더 포함할 수 있다.

또, 상기 광섬유 모재 제조 장치에서 상기 하나 이상의 코어 물질 주입구는, 상기 하나 이상의 1차 튜브와 각각 연결되고, 상기 하나 이상의 코어 물질 주입구는 각기 다른 물질로 도핑된 이산화규소 분말이 주입될 수 있다.

한편, 상기 1차 튜브에 주입되는 이산화규소 분말을 도핑하는 상기 제1 물질은 삼산화이레늄(Re₂O₃), 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 산화이테르븀(Yb₂O₃), 오산화인(P₂O₅)으로 이루어진 그룹 중 선택된 하나 이상일 수 있다.

추가로, 상기 이중관형 튜브의 수평절단면을 향해 분사되는 레이저는 이산화탄소(CO₂) 레이저일 수 있다. 그리고 상기 레이저분사기는, 이산화탄소 레이저를 주사하는 주사부; 상기 주사부로 주입된 상기 이산화탄소 레이저를 제1 방향과 제2 방향으로 분리하는 분파부(splitter); 및 상기 분파부를 통하여 입사된 상기 제1 방향 레이저 및 상기 제2 방향 레이저가, 상기 이중관형 튜브에 대해 수평절단면을 대향하여 조사될 수 있도록 상기 제1 방향 레이저 및 상기 제2 방향 레이저를 반사시키는 반사경을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 광섬유 제조 방법 및 장치에 의하면, 기존의 방법과 달리 이산화규소 등을 분말로 주입하고 이에 대해 레이저를 조사하여 광섬유를 제조함으로써 광섬유 제조 수율을 개선할 수 있고 코어 형성률을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 광섬유 제조 방법 및 장치에 의하면, 이중관형 튜브를 회전시키면서 장축 방향으로 이동시키기 때문에 동심도를 부합시킬 수 있으며, 서로 다른 물질로 도핑된 이산화규소로 다수의 코어를 생성할 수 있으며, 구경 조절을 달리할 수 있기 때문에, 고농도의 대구경 광섬유 모재를 제작할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명으로부터 도출되는 효과는 전술된 사항에 국한되지 않고 폭넓게 인정될 수 있음을 인지할 것이다.

도 1은 기존의 광섬유 모재 제작 공정 중 하나인 MCVD를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 방법에 대한 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 방법 및 장치에 의해 제작된 광섬유에 대한 실험예이다.
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치에서 제작가능한 일 양상으로서, 다수의 코어를 포함하는 실시예이다.

본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예에 대하여 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시되며, 본 발명에 따른 실시예는 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예는 도면에 예시되어 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2, 1차 및/또는 2차 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, '포함하다', '구비하다', '가지다' 등의 용어는 특정된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분, 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법 및 장치에 대해 상세하게 설명된다.

본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도를 도시한 도 2와 이에 대한 실시예를 도시하고 있는 도 3을 참조로 설명한다.

본 발명에 의한 광섬유 모재 제작 과정은 내부 중심에 하나 이상의 1차 튜브(31)와 1차 튜브를 둘러싸는 2차 튜브(32)를 갖는 이중관형 튜브에 의해 광섬유 모재를 제조하게 된다. 먼저, 1차 튜브에 제1 물질로 도핑된 이산화규소(SiO₂) 분말을 주입한다(S10 단계). 여기서, 1차 튜브는 하나 이상 존재하므로, 각각의 1차 튜브마다 서로 다른 물질로 도핑된 이산화규소 분말이 주입될 수 있다. 바람직하게는, 이산화규소 분말을 도핑하는 제1 물질은, 삼산화이레늄(Re₂O₃), 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 산화이테르븀(Yb₂O₃), 오산화인(P₂O₅)으로 이루어진 그룹 중 선택된 하나 이상일 수 있다.

다음으로, 2차 튜브에, 도핑되지 아니한 이산화규소 분말을 주입한다(S20 단계). 이렇게 1차 튜브와 2차 튜브에 각각 주입된 물질, 즉, 도핑된 이산화규소 분말과 도핑되지 아니한 이산화규소 분말은 광섬유의 코어와 클래딩을 형성하게 된다.

다음의 S30 단계에서, 이중관형 튜브의 1차 및 2차 튜브에 각각의 분말이 주입되면, 이중관형 튜브를 장축을 중심으로 회전시키면서(도 3의 상단부에 표시된 화살표의 방향 참조), 이중관형 튜브의 장축을 따라 이동시키게 된다(도 3의 하단부에 표시된 화살표의 방향 참조).

그리고 S40 단계로, 이중관형 튜브의 장축에 대한 수평절단면을 향해 레이저를 분사하게 된다(도 3의 33). 레이저에 의해 이중관형 튜브를 분사함으로써 1차 및 2차 튜브 각각의 이산화규소 분말이 가열되어, 고화된 이산화규소 부분(34)이 생성됨으로써 광섬유의 코어가 형성될 수 있다.

이중관형 튜브에 대해 분사 또는 조사되는 레이저는, 에너지 준위 간에 일어나는 여기에 의하여 밀도 분포가 반전됨으로써 일어나는 유도 방출을 이용하여 광 발진에 따른 광 복사가 일어나는 것으로, 유도방출을 일으키는 물질인 이득 매질에 따라서 He-Ne 레이저, Ar 레이저, CO₂ 레이저 등과 같은 기체 레이저, 루비레이저, YAG레이저, 유리레이저 등과 같은 고체 레이저, 및 색소레이저, 무기 액체 레이저 등과 같은 액체 레이저로 구분될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 레이저는 이산화탄소(CO₂) 레이저일 수 있고, 이산화탄소 레이저는 이산화탄소 분자의 진동 준위를 이용하여 적외선이 발진된다.

도 2 및 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이, 이중관형 튜브를 회전시키는 동시에 이동시킴으로써, 동심도를 부합시킬 수 있을 뿐 아니라, 레이저가 분사되는 위치에서 상기 레이저가 상기 이중관형 튜브의 수평절단면을 통해 균일하게 분사될 수 있다. 기체 상태가 아닌 분말로 주입하고 이에 대해 레이저를 조사하여 광섬유를 제조함으로써 광섬유 제조 수율을 개선할 수 있고 코어 형성률을 향상시킬 수 있다.

또한, 이중관형 튜브는 1차 튜브에 주입하는 과정에서, 또는 1차 튜브가 하나 이상의 개수이기 때문에, 서로 다른 물질로 도핑된 이산화규소로 다수의 코어를 생성할 수 있으며, 구경 조절을 달리할 수 있기 때문에, 고농도의 대구경 광섬유 모재를 제작할 수 있다. 이러한 일 실시예로서, 도 6을 참고하면, 중심부와 이를 중심으로 6개, 총 7개의 1차 튜브가 있으며, 각기 다른 물질로 도핑된 이산화규소가 주입되어 광섬유 코어를 형성함을 인지할 수 있다. 달리 말하면, 다양한 도핑 재료에 의하여 광섬유 모재를 제작가능하며 다양한 구조를 갖는 광학적 구조체 형성이 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치를 도시한다. 도 2 및 도 3과 관련하여, 이중관형 튜브 및 레이저의 조사에 대해 설명되었으므로, 도 4와 관련하여서는, 레이저가 광섬유 모재에 조사되는 과정에 집중하여 설명한다.

레이저 분사기는 주사부(41), 분파부(42; splitter), 반사경(43)을 포함하여, 도 4와 같은 예시적인 구조에 의해 광섬유 모재에 대해 레이저를 조사할 수 있다. 먼저, 주사부(41)에서 레이저를 주사하면, 분파부(42)는 레이저를 제1 방향과 제2 방향으로 분리한다. 그리고 2개 이상의 반사경(43)에 의하여, 이중관형 튜브에 대해 수평절단면을 대향하여 조사될 수 있도록 제1 방향 레이저 및 제2 방향 레이저가 반사된다. 이러한 과정으로 광섬유 모재에 레이저가 입사되어 이산화규소 분말이 코어와 클래딩을 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 방법 및 장치에 의해 제작된 광섬유에 대한 실험예를 나타내는 도 5를 참조하면, 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 산화이테르븀(Yb₂O₃), 오산화인(P₂O₅)으로 각기 달리 도핑된 이산화규소 분말에 의해 제조된 광섬유가 균일한 분포를 가짐을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

31: 1차 튜브
32: 2차 튜브
33: 레이저
34: 고화된 이산화규소
41: 주사부
42: 분파부
43: 반사경

Claims

내부 중심에 1차 튜브를 구비하고, 상기 1차 튜브를 둘러싸는 2차 튜브를 갖는 이중관 튜브로부터 대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법으로서,
상기 1차 튜브에, 도핑된 이산화규소 분말을 구비하는 단계;
상기 2차 튜브에, 도핑되지 않은 이산화규소 분말을 구비하는 단계;
상기 이중관 튜브의 장축에 대한 수평절단면을 향하여 레이저를 분사하는 단계; 및
상기 이중관 튜브를 회전시키면서, 상기 이중관 튜브의 장축방향으로 이동시키며, 상기 이중관 튜브의 장축방향과 수직한 방향으로 상기 이중관 튜브의 장축에 대한 수평절단면을 향하여 레이저를 분사하는 단계;
를 포함하고,
상기 1차 튜브는 복수 개이며, 상기 복수 개의 1차 튜브 각각에 서로 다른 물질로 도핑된 이산화규소 분말이 구비되고,
상기 도핑된 이산화규소 분말을 도핑하는 물질은, 삼산화이레늄(Re₂O₃), 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 산화이테르븀(Yb₂O₃), 또는 오산화인(P₂O₅)으로 이루어진 그룹 중 선택된 복수 개인 것을 특징으로 하는,
대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법.
삭제
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삭제
제1항에 있어서,
상기 레이저는 이산화탄소(CO₂) 레이저인 것을 특징으로 하는,
대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 1차 튜브는 코어를 형성하며, 상기 2차 튜브는 클래딩을 형성하는 것을 특징으로 하는,
대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 방법.
대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치로서,
내부 중심에 복수 개의 1차 튜브를 구비하고, 상기 1차 튜브를 둘러싸는 2차 튜브를 갖는 이중관형 튜브;
도핑된 이산화규소 분말을, 상기 이중관형 튜브 중 1차 튜브 각각에 주입하는 복수 개의 코어 물질 주입구;
상기 이중관형 튜브 중 2차 튜브에, 도핑되지 않은 이산화규소 분말을 주입하는 클래딩 물질 주입구;
상기 이중관형 튜브의 장축에 대한 수평절단면을 향하여, 상기 이중관형 튜브의 장축방향과 수직한 방향으로 레이저를 분사하는 레이저분사기; 및
상기 분사된 레이저가 향하는 상기 이중관형 튜브를 회전시키면서 이동시키는 튜브구동부;
를 포함하고,
상기 복수 개의 코어 물질 주입구는, 상기 복수 개의 1차 튜브와 각각 연결되고, 상기 복수 개의 코어 물질 주입구는 각기 다른 물질로 도핑된 이산화규소 분말이 주입되며,
상기 도핑된 이산화규소 분말을 도핑하는 물질은, 삼산화이레늄(Re₂O₃), 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 산화이테르븀(Yb₂O₃), 또는 오산화인(P₂O₅)으로 이루어진 그룹 중 선택된 복수 개인 것을 특징으로 하는,
대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치.
삭제
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삭제
제7항에 있어서,
상기 레이저는 이산화탄소(CO₂) 레이저인 것을 특징으로 하는,
대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치.
제11항에 있어서,
상기 레이저분사기는,
레이저를 주사하는 주사부;
상기 주사부로 주입된 상기 레이저를 제1 방향과 제2 방향으로 분리하는 분파부(splitter); 및
상기 분파부를 통하여 입사된 상기 제1 방향 레이저 및 상기 제2 방향 레이저가, 상기 이중관형 튜브에 대해 수평절단면을 대향하여 조사될 수 있도록 상기 제1 방향 레이저 및 상기 제2 방향 레이저를 반사시키는 반사경
을 포함하는 것을 특징으로 하는,
대구경 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치.