KR102014291B1

KR102014291B1 - 세경 광섬유 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102014291B1
Application number: KR1020120156096A
Authority: KR
Inventors: 박지상; 박래혁; 양은정
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2019-08-26
Also published as: KR20140086060A

Abstract

본 발명은 광섬유 중심에 위치하는 코어; 상기 코어의 외부를 둘러싸고 상기 코어에 비해 낮은 굴절률을 갖는 클래드; 및 상기 클래드의 외부에 코팅된 외경 140~170㎛의 제1 코팅층과, 상기 제1 코팅층의 외부에 코팅된 외경 195~205㎛의 제2 코팅층을 구비한 코팅부;를 포함하고, 편광모드분산(PMD) 특성이, PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/2을 만족하는 것을 특징으로 하는 세경 광섬유를 개시한다.

Description

세경 광섬유 및 그 제조방법{REDUCED DIAMETER OPTICAL FIBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 세경 광섬유에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외경이 약 200㎛ 수준인 세경 구조를 가진 세경 광섬유와 그 제조방법에 관한 것이다.

근래에 초고속 통신에 대한 수요가 증가하면서 광케이블 기반 통신망에 대한 수요 또한 지속적으로 증가하고 있다. 광케이블은 기존 구리선 케이블에 비해 대역폭이 크고 무게와 부피가 작아서 초고속 전송망 구축에 있어서 상대적으로 경쟁력이 있다고 할 수 있다.

일반적으로, 광통신망의 구축에 있어서 가장 많은 부분을 차지하는 것은 공사 비용이다. 국가별, 망의 구조별로 차이가 있겠으나 대략적으로 전체 구축비용의 50% 정도가 공사 비용으로 사용된다. 이에 따라 광통신망과 관련된 기술분야에서는 망 공사 비용을 절감할 수 있는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다.

광케이블 분야에서는 광케이블의 세경화, 다심화 기술이 공사비용 감소를 위한 핵심기술이라고 할 수 있다. 광케이블이 세경화, 다심화 될 경우 동일한 인프라에 더 많은 광섬유 심선을 수용할 수 있기 때문이다.

광케이블의 세경화를 위해서는 광섬유를 세경화하거나 광섬유를 제외한 광케이블 파트를 세경화하는 방안을 고려해 볼 수 있는데, 종래에는 주로 광섬유를 제외한 광케이블 파트의 소형화에 대한 연구가 진행되었다.

공개특허 US2007/0274647A1은 광케이블의 세경화를 위해 튜브의 두께/재질, 인장멤버의 지름, 그리고 점적률과 같은 광케이블 파트에 관한 기술을 제안하고 있다.

이후 코팅 기술의 발전과 베어 광섬유 제조기술의 발전으로 인해 광섬유 세경화에 대한 실현 가능성이 증가하였다. 적절한 물성의 코팅과 굴곡에 강건한 ITU-T G.657 계열의 베어 광섬유 사용을 통해 두께의 세경화를 이루는 기술들이 발표되었다.

공개특허 US2010/0119202는 세경 광섬유를 구성하는 베어 광섬유의 종류, 코팅 구조, 마이크로 굴곡(Micro-bending) 손실, 환경 신뢰성 그리고 기계적 신뢰성과 관련된 기술을 제안하고 있다.

공개특허 US2010/0135625에서는 세경 광섬유를 이용한 리본 케이블에 관한 것으로서, 모듈러스가 0.65MPa 보다 작고, 유리 전이 온도가 -50℃ 보다 작은 코팅 시스템을 가진 세경 리본 광케이블을 제안하고 있다.

그런데, 세경 광섬유의 경우 외부 환경, 외부 스트레스로부터 보호하는 코팅층이 통상의 광섬유에 비해 얇게 형성되므로 외부 스트레스의 영향도가 커지게 된다. 즉, 글라스의 광탄성(Photo-elasticity)에 기인한 스트레스로 인한 굴절률 변화가 생기고 이로 인해 편광모드분산(PMD: Polarization Modal Dispersion) 특성이 악화될 수 있다. 하지만 세경 광섬유에 있어서 고속 전송에서 중요한 특성인 PMD값의 최적화에 대해서는 기존에 연구된 바가 없었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 광섬유의 외경이 약 200㎛ 수준의 세경 구조를 가지면서도 PMD를 포함한 광섬유 특성이 기존의 250㎛ 광섬유의 수준을 만족하는 세경 광섬유 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 광섬유 중심에 위치하는 코어;

상기 코어의 외부를 둘러싸고 상기 코어에 비해 낮은 굴절률을 갖는 클래드; 및 상기 클래드의 외부에 코팅된 외경 140~170㎛의 제1 코팅층과, 상기 제1 코팅층의 외부에 코팅된 외경 195~205㎛의 제2 코팅층을 구비한 코팅부;를 포함하고, 편광모드분산(PMD) 특성이, PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/2을 만족하는 것을 특징으로 하는 세경 광섬유를 제공한다.

상기 코어 및 클래드의 구조는 ITU-T G.657 규격을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 제1 코팅층의 시컨트 모듈러스는 상온에서 0.3 ~ 2.0MPa이고, 상기 제2 코팅층의 시컨트 모듈러스는 상온에서 300 ~ 1500MPa인 것이 바람직하다.

상기 제1 코팅층의 유리 전이 온도는 -50 ~ -10℃이고, 상기 제2 코팅층의 유리 전이 온도는 40 ~ 80℃인 것이 바람직하다.

1310㎚ 파장에서 광손실은 0.35dB/㎞ 미만인 것이 바람직하다.

1383㎚ 파장에서 광손실은 0.35dB/㎞ 미만인 것이 바람직하다.

1550㎚ 파장에서 광손실은 0.21dB/㎞ 미만인 것이 바람직하다.

1625㎚ 파장에서 광손실은 0.23dB/㎞ 미만인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 광섬유 모재를 퍼니스로 가열하여 인선하는 단계; (b) 상기 퍼니스로부터 인선되는 베어 광섬유의 외부에 레진을 코팅하여 외경 140~170㎛의 제1 코팅층과 외경 195~205㎛의 제2 코팅층을 차례대로 형성하는 단계; 및 (c) 상기 제1 코팅층과 상기 제2 코팅층이 형성된 코팅 광섬유를 스핀장치에 통과시켜 스핀을 가하는 단계;를 포함하고, 상기 단계 (c)에서, 편광모드분산(PMD) 특성이 PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/2을 만족하도록 상기 스핀을 가하는 것을 특징으로 하는 세경 광섬유의 제조방법이 제공된다.

상기 단계 (a)에서는, 코어 및 클래드의 구조가 ITU-T G.657 규격을 만족하도록 상기 베어 광섬유를 인선할 수 있다.

상기 단계 (c)에서, 상기 스핀장치는 상기 코팅 광섬유에 회전 마찰력을 제공하여 비틀림을 형성하는 스핀롤러를 구비하고, 상기 코팅 광섬유를 상기 스핀롤러의 인선 중심축에 대하여 좌, 우 방향으로 교호적으로 편심시켜 상기 비틀림을 형성하되, 편심 거리를 0.5 ~ 2.0㎜, 진동수를 30 ~ 60㎐로 하는 것이 바람직하다.

상기 단계 (c)에서, 상기 스핀롤러는 경사면이 대칭으로 형성된 "V"자형 단면을 가진 외주면을 구비하고, 상기 경사면의 경사각은 10 ~ 45도인 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 세경 광섬유의 제조방법에 의해 제조된 세경 광섬유가 제공된다.

본 발명에 의하면, 광섬유의 외경이 200㎛ 수준의 세경 구조를 가지면서도 PMD 특성과 마이크로 굴곡손실은 기존의 외경 250㎛ 광섬유의 수준을 만족하는 세경 광섬유를 구현할 수 있다.

따라서, 본 발명을 적용할 경우 동일한 인프라에 더 많은 광섬유 심선을 광케이블에 수용함으로써 공사 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세경 광섬유의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세경 광섬유의 제조방법을 수행하기 위한 광섬유 제조 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 도 2에서 스핀롤러의 구성을 도시한 정면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세경 광섬유의 구성을 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세경 광섬유는 코어(11)와 클래드(12)로 이루어진 베어 광섬유(10)와, 베어 광섬유(10)의 외부에 레진(Resin)에 의해 형성되고 최외층의 외경이 200㎛ 내외 수준으로 이루어진 코팅부(20)를 구비한다.

베어 광섬유(10)는 중심에 위치하는 코어(11)와, 코어(11)의 외부를 둘러싸고 상기 코어(11)에 비해 낮은 굴절률을 갖는 클래드(12)를 구비한다. 외경 200㎛ 수준의 세경 광섬유에 부합하도록, 베어 광섬유(10)의 코어(11) 및 클래드(12)의 구조는 ITU-T G.657 규격을 만족하는 것이 바람직하다.

코팅부(20)는 클래드(12)의 외부에 코팅된 제1 코팅층(21)과, 제1 코팅층(21)의 외부에 코팅된 제2 코팅층(22)을 포함한다.

제1 코팅층(21)은 외경이 140~170㎛, 제2 코팅층(22)은 외경이 195~205㎛를 만족함으로써 세경 광섬유의 최외층 외경은 200㎛ 내외 수준으로 구성된다. 이러한 외경 수치 구조를 가짐과 아울러, 세경 광섬유는 편광모드분산(PMD) 특성이 PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/2(N=20, Q=0.01%)을 만족하는 물성을 갖는다. 편광모드분산(PMD) 특성에 관한 국제 표준에 명시된 바와 같이, 측정 시 연결되는 케이블의 개수를 나타내는 상기 N값은 20, Linked PMD 가 0.1 보다 작지 않을 확률인 상기 Q값은 0.01%로 규정된다. 여기서, 상기 PMD_Q 특성은 IEC TR 61282-3 (Calculation of polarization mode dispersion)을 참조하여 도출한다.

제1 코팅층(21)의 시컨트 모듈러스(Secant modulus)는 상온에서 0.3 ~ 2.0MPa, 유리 전이 온도(Glass transition temperature)는 -50 ~ -10℃인 것이 바람직하다. 또한, 제2 코팅층(22)의 시컨트 모듈러스는 상온에서 300 ~ 1500MPa, 유리 전이 온도는 40 ~ 80℃인 것이 바람직하다.

상기와 같은 코팅부(20)의 구성에 의하면 세경 광섬유의 코팅부(20)가 자외선(UV)에 노출되었을 때 제1 코팅층(21)은 부드럽게 경화되는 반면에 제2 코팅층(22)은 딱딱한 상태로 경화될 수 있다. 특히, 제1 코팅층(21)과 제2 코팅층(22)이 상기 시컨트 모듈러스의 조건을 만족하는 경우에는 상온에서 세경 광섬유의 코어(11) 부분을 보호하기에 적합하도록 부드러운 물성을 제공할 수 있으며, 주거지역에 많이 존재하는 90도 내외의 심한 굴곡 환경이나 장력이 작용하는 가혹한 설치 조건에서도 전송손실을 최소화하는 것이 가능하다.

또한, 세경 광섬유는 IEC 60793-1-C3 에 기재되어 있는 방법을 적용하여 마이크로 굴곡 손실을 측정했을 때 기존 외경 250㎛ 광섬유와 동등 수준의 마이크로 굴곡손실 특성을 제공한다.

또한, 세경 광섬유의 파장별 광손실은 1310㎚ 파장에서 광손실은 0.35dB/㎞ 미만이고, 1383㎚ 파장에서 광손실은 0.35dB/㎞ 미만이고, 1550㎚ 파장에서 광손실은 0.21dB/㎞ 미만이고, 1625㎚ 파장에서 광손실은 0.23dB/㎞ 미만을 유지한다. 이에 따라 세경 광섬유는 기존의 외경 250㎛ 광섬유와 동등 이상의 수준의 마이크로 굴곡손실 특성을 제공한다.

세경 광섬유는 동적 인장 강도(dynamic tensile strength) 특성이 50%의 파단확률 조건에서 550kpsi를 초과하고, 동적 피로(dynamic fatigue) 특성이 20을 초과하여, 외경 250㎛ 광섬유와 동등 수준의 기계적 특성을 달성한다. 여기서, 상기 동적 인장 강도 특성, 동적 피로 특성 및 Pull out 특성은 IEC 광섬유 측정 표준에 의해 측정된다.

이하에서는 도 2에 도시된 광섬유 제조 시스템을 이용한 세경 광섬유의 제조방법을 설명하기로 한다.

먼저, 광섬유 모재(101)를 퍼니스(102)로 가열하여 용융시킴으로써 베어 광섬유(103)를 인선하는 공정을 수행한다. 광섬유 모재(101)는 퍼니스(102)에 의해 고온으로 가열되고, 연화된 광섬유 모재(101)의 단면적 감소부분(Neck-Down Portion)으로부터 베어 광섬유(103)가 인선된다. 여기서, 베어 광섬유(103)는 그 코어 및 클래드의 구조가 ITU-T G.657 규격을 만족하는 것이 바람직하다.

퍼니스(102)로부터 인선되는 베어 광섬유(103)는 코팅기구(104)와 경화장치(105)를 순차적으로 통과함으로써 외부면에 레진이 코팅 및 경화된다. 이 과정에서 베어 광섬유(103)의 외부에는 외경 140~170㎛의 제1 코팅층(21)과 외경 195~205㎛의 제2 코팅층(22)이 차례대로 형성된다.

이어서, 제1 코팅층(21)과 상기 제2 코팅층(22)이 형성된 코팅 광섬유(103')를 스핀장치(110)에 통과시켜 스핀을 가한 후 보빈(107)에 권취하는 공정이 진행된다. 스핀장치(110)에서는 코팅 광섬유(103')에 회전 마찰력을 제공하여 비틀림을 형성하는 스핀 공정을 수행한다. 스핀 공정은 광섬유의 PMD 특성이 PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/2의 물성을 갖도록 진행된다.

도 3에는 스핀 공정에 사용되는 스핀롤러(111)의 구성이 도시되어 있다. 도 3의 (a), (b)에 나타난 바와 같이 코팅 광섬유(103')는 회전하는 스핀롤러(111)의 인선 중심축에 대하여 좌, 우 방향으로 교호적으로 왕복운동 하면서 편심된 상태에서 진행함으로써 시계 방향 및 반시계 방향의 스핀이 주기적으로 인가된다. 코팅 광섬유(103')에 스핀이 가해져서 비틀림이 형성되면 PMD값이 저감되는데, 스핀 공정 조건을 최적화함으로써 PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/ ²의 물성을 가진 세경 광섬유를 구현할 수 있다. 스핀 공정을 이용해 광섬유의 PMD를 저감시키는 기술은 본 출원인이 기출원하여 특허를 허여받은 대한민국 등록특허 제802793호에 상세히 개시되어 있다.

본 발명에 따른 세경 광섬유는 약 200㎛ 수준으로 세경화 되므로 스핀 공정 조건도 이에 걸맞게 최적화되어야 한다. PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/2을 만족시키기 위한 스핀 공정 조건으로서, 편심 거리(진폭) A는 0.5 ~ 2.0㎜, 좌/우 왕복운동에 대한 진동수는 30 ~ 60㎐인 것이 바람직하다. 또한, 외주면에 중앙 방향으로 오목하게 경사면이 대칭으로 형성되어 "V"자형 단면을 가진 스핀롤러(111)에 있어서, 인선 중심축에 대한 경사면의 경사각 θ는 10 ~ 45도인 것이 바람직하다. 이러한 스핀 공정 조건은 특히, 제1 코팅층(21)의 외경이 140~170㎛, 제2 코팅층(22)은 외경이 195~205㎛를 만족하는 200㎛ 수준의 세경 광섬유에 대한 PMD 특성 향상에 매우 효과적이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 세경 광섬유는 외경이 200㎛ 수준의 세경 구조를 가지면서도 PMD 특성과 마이크로 굴곡손실은 기존의 외경 250㎛ 광섬유와 동등 이상의 수준을 만족할 수 있는 현저한 효과를 가진다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

11: 코어 12: 클래드
21: 제1 코팅층 22: 제2 코팅층
101: 광섬유 모재 102: 퍼니스
104: 코팅기구 105: 경화장치
107: 보빈 110: 스핀장치
111: 스핀롤러

Claims

광섬유 중심에 위치하는 코어, 상기 코어의 외부를 둘러싸고 상기 코어에 비해 낮은 굴절률을 갖는 클래드로 이루어진 베어 광섬유; 및
상기 베어 광섬유의 외부에 코팅된 외경 140~170㎛의 제1 코팅층과, 상기 제1 코팅층의 외부에 코팅된 외경 195~205㎛의 제2 코팅층을 구비하고, 최외층의 외경이 200㎛ 내외인 코팅부;를 포함하고,
편광모드분산(PMD) 특성이,
PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/2을 만족하는 것을 특징으로 하는 세경 광섬유.
제1항에 있어서,
상기 코어 및 클래드의 구조는 ITU-T G.657 규격을 만족하는 것을 특징으로 하는 세경 광섬유.
제1항에 있어서,
상기 제1 코팅층의 시컨트 모듈러스는 상온에서 0.3 ~ 2.0MPa이고,
상기 제2 코팅층의 시컨트 모듈러스는 상온에서 300 ~ 1500MPa인 것을 특징으로 하는 세경 광섬유.
제1항에 있어서,
상기 제1 코팅층의 유리 전이 온도는 -50 ~ -10℃이고,
상기 제2 코팅층의 유리 전이 온도는 40 ~ 80℃인 것을 특징으로 하는 세경 광섬유.
제1항에 있어서,
1310㎚ 파장에서 광손실이 0.35dB/㎞ 미만인 것을 특징으로 하는 세경 광섬유.
제1항에 있어서,
1383㎚ 파장에서 광손실이 0.35dB/㎞ 미만인 것을 특징으로 하는 세경 광섬유.
제1항에 있어서,
1550㎚ 파장에서 광손실이 0.21dB/㎞ 미만인 것을 특징으로 하는 세경 광섬유.
제1항에 있어서,
1625㎚ 파장에서 광손실이 0.23dB/㎞ 미만인 것을 특징으로 하는 세경 광섬유.
(a) 광섬유 모재를 퍼니스로 가열하여 인선하는 단계;
(b) 상기 퍼니스로부터 인선되는 베어 광섬유의 외부에 레진을 코팅하여 외경 140~170㎛의 제1 코팅층과 외경 195~205㎛의 제2 코팅층을 차례대로 형성하는 단계; 및
(c) 상기 제1 코팅층과 상기 제2 코팅층이 형성되어 외경이 200㎛ 내외인 코팅 광섬유를 스핀장치에 통과시켜 스핀을 가하는 단계;를 포함하고,
상기 단계 (c)에서,
편광모드분산(PMD) 특성이 PMD_Q < 0.1ps/(km)^1/2을 만족하도록 상기 스핀을 가하는 것을 특징으로 하는 세경 광섬유의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 단계 (a)에서,
코어 및 클래드의 구조가 ITU-T G.657 규격을 만족하도록 상기 베어 광섬유를 인선하는 것을 특징으로 하는 세경 광섬유의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 단계 (c)에서,
상기 스핀장치는 상기 코팅 광섬유에 회전 마찰력을 제공하여 비틀림을 형성하는 스핀롤러를 구비하고,
상기 코팅 광섬유를 상기 스핀롤러의 인선 중심축에 대하여 좌, 우 방향으로 교호적으로 편심시켜 상기 비틀림을 형성하되, 편심 거리를 0.5 ~ 2.0㎜, 진동수를 30 ~ 60㎐로 하는 것을 특징으로 하는 세경 광섬유의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 단계 (c)에서,
상기 스핀롤러는 경사면이 대칭으로 형성된 "V"자형 단면을 가진 외주면을 구비하고,
상기 경사면의 경사각이 10 ~ 45도인 것을 특징으로 하는 세경 광섬유의 제조방법.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 세경 광섬유.