KR19990044483A - 이산화티탄 및 게르마니아를 함유하는 광도파관 섬유 - Google Patents
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Abstract
광도파관 코어의 조성물은 실리카를 기초로 한 유리에 두 개의 도펀트를 함유하는 코어를 포함하고, 상기 도펀트 중 하나는 이산화티탄이다. 상기 코어 조성물은 예비성형품의 제조공정에 있어서 Ti+3의 존재를 억제시키고, 굴절률 프로파일(10, 12, 14) 형태를 보존하도록 한다.
Description
본 발명은 이산화티탄(titania) 및 게르마니아(germania)를 포함하는 실리카를 기초로 한 코어(silica based core)를 갖는 광도파관 섬유에 관한 것이다.
다음의 몇가지 이유에 의해 이산화티탄은 실리카를 기초로 한 광도파관 코어의 효율적이고, 효과적인 도펀트이다.
-광도파관 예비성형품 공정에 사용될 수 있는 상기 전구체 화학약품은 쉽게 입수할 수 있고, 게르마니아와 같은 그 외의 코어 도펀트 전구체들보다 비용적으로 훨씬 저렴하다.
-게르마니아와 같은 그 외의 도펀트에 비하여, 특정 굴절률 변화를 얻는데 더 적은 농도의 이산화티탄 도펀트가 요구된다.
-실리카에 이산화티탄을 도핑한 효과는 실리카의 열팽창계수를 낮추는 것이다. 따라서, 이로써 도핑된 실리카 팽창을 조절하고, 이산화티탄 및 실리카의 열팽창계수를 증가시키는 금속 산화물로 도파관 코어를 코도핑하여 실리카 및 도핑된 실리카의 열팽창을 실질적으로 정합시킬 수 있다. 이렇게 하여, 광도파관 섬유 코어 및 실리카 클래딩 층 사이에서 바람직하지 못한 열팽창 부정합(mismatch)의 발생없이, 높은 도핑 수준이 달성될 수 있다. 예를 들어, 0.27보다 큰 수치의 개구부(numerical aperture)를 갖는 도파관 섬유가 실온에서 기계적으로 안정한 예비성형품(preform)으로부터 제조될 수 있다.
-이산화티탄은 굴절률 프로파일 형태의 조절을 향상시킬 수 있어 도파관 섬유의 특성들의 개선된 조절을 가능하게 하는 공지의 건조 및 고화 공정에서 덜 휘발된다.
광도파관 섬유의 이산화티탄 도핑(doping)은 일본국 특허 출원 공개 제 60-5041호(1985년)에 개시되어 있다. 상기 공개 명세서에는, 이산화티탄 및 적어도 두 개의 다른 도핑 물질을 포함하는 실리카를 기초로 한 도파관 섬유 코어가 설명되어 있다. 실리카 클래드의 열팽창계수에 근접한 열팽창계수를 코어에 제공하도록 각 도펀트의 중량%가 선택된다. 상기 공개 명세서에 예시된 대부분의 실시예에서, 도파관 코어내에 존재하는 이산화티탄의 양은 추가 도펀트의 양보다 훨씬 적은데, 모든 경우에서 게르마니아가 존재하였다. 상기 추가 도펀트의 농도는 제시되어 있지 않다. 따라서, 물류 비용의 절감이 기대될 수 없고, 굴절률을 증가시키는 도펀트로서의 이산화티탄의 기능도 완전히 수행되지 않는다. 상기 공개 명세서는 실리카 유리와 도핑된 실리카 유리들 사이의 열팽창계수를 정합(match)시키기 위한 조절제로서 이산화티탄을 사용하는 것에 초점을 맞추고 있다. 제 2의 목적인 굴절률을 증가시키는 특성들이 상기 공개 명세서 8페이지 3번째 단락에 "...예시된 실시예는 도펀트가 코어에 첨가되는 것에 대한 것으로, 이 도펀트들은 클래드에도 첨가될 수 있다."라고 기재되어 있다. 또한, 상기 공개 명세서에는 도파관 섬유 감쇠에 대해 언급되어 있지 않다.
광도파관 제조시 이산화티탄을 사용하면서 생기는 주된 문제점은 광도파관의 작동 영역 850nm 내지 1310nm에서 특히 강한 광흡수제인 Ti+3이 코어내에 형성된다는 것이다.
따라서, 이산화티탄의 성능을 향상시키는 완전한 굴절률이 사용되고, 게르마니아의 비용 절감과 그밖의 상기에서 언급된 다른 잇점들이 실현된 이산화티탄을 함유하는 코어를 갖는 광도파관 섬유가 요구된다. 또한, 광흡수제 Ti+3의 문제점은 실질적인 수준까지 도파관 섬유의 감쇠를 감소시키는데 역점을 두어 다루어야 한다.
또한, 제 3 또는 제 4의 도펀트를 이용하여 장비 및 제조공정에 추가되는 복잡화 및 비용은 피해야 한다.
<발명의 요약>
본 발명은 전술한 요구되는 특성들을 갖는 광도파관 섬유에 관한 것이다.
본 발명의 제 1의 목적은 이산화티탄 및 게르마니아 만으로 도핑된 실리카를 기초로 한 코어를 갖는 광도파관 섬유를 제공하는데 있다. 코어에 접하여 감싸는 클래드 유리층은 필수적으로 실리카이다. 두 개의 코어 도펀트인, 이산화티탄 및 게르마니아가 사용된다. 이산화티탄 도펀트는 7중량%이하이고, 이산화티탄 대 게르마니아의 중량%비는 1보다 적다.
제 1의 목적의 신규한 코어 조성물의 특히 바람직한 구현예는 이산화티탄의 중량%가 5%이하이고, 이산화티탄 대 게르마니아의 중량%비는 0.3이하이다.
코어 및 클래드의 열팽창계수가 거의 동일한 제 1의 목적에 따른 구현예가 바람직하다.
본 발명의 제 1의 목적에 유용한 특정 굴절률 코어 프로파일은 α-프로파일이고, 여기서 α는 1보다 큰 값을 갖는다. α 프로파일은 n=n0(1-2▵(r/a)α)1/2 의 식에 의해 설명되는데, 여기서, n0 는 α굴절률 프로파일의 첫 번째 지점에서의 굴절률이고, ▵=[(n1 2-nc 2)/2n1 2] 에서 n1 은 코어 굴절률이고, nc 는 클래드 굴절률이며, r은 반경이고, a는 α굴절률 프로파일의 첫 번째 지점에서 마지막 지점까지 측정된 반경이고, r은 α굴절률 프로파일의 첫 번째 지점에서는 제로(0)가 되도록 선택된다. 달리 언급되진 않는한, n1 은 △로 특징지어진 코어 영역에서의 최대 굴절률이다. 상기 식을 풀어서, α=1이면 삼각형 프로파일이고, α=2이면, 포물선형 프로파일이며, α가 약 4보다 크거나 같으면 필수적으로 계단형 굴절률 프로파일이다.
높은 도핑 수준이 다중모드 도파관 섬유에 사용되기 때문에, 코어의 크기는 다중 광이 전파되도록 선택될 수 있다. 다중모드 섬유는 접합(splicing)이 강조되는 응용분야에 사용된다. 접합 손실(splicing loss)을 최소화시키기 위해, 약 0.18 내지 0.32 또는 그 이상의 범위의 높은 수치 개구부가 바람직하다. 수치 개구부는 (n1 2-nc 2)1/2 로 주어지는데, 여기서 n1 은 코어의 최대 굴절률이고, nc 는 클래드 굴절률이다. 수치 개구부는 광선(light ray)이 도파관 섬유 코어로 발사되고 유도되도록 하는 최대각에 관계된다. 본 발명의 바람직한 다중모드 구현체는 약 0.275의 수치 개구부와 포물선형 (α=2) 프로파일을 갖는다. 850nm 및 1310nm의 파장 영역 및 낮은 결합 또는 접합 손실 모두에서 높은 대역폭은 이러한 설계에 의해 제공된다.
본 발명은 다중모드 도파관 섬유 결합구조에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제 2의 목적은 흡수제 Ti+3의 함량을 감소시키기 위해 제공되는 실리카를 기초로 한 이산화티탄으로 도핑된 코어 유리에 코도펀트를 첨가하는데 있다. 상기 코어 유리는 55중량%이상의 실리카를 함유하고, 이산화티탄, 게르마니아 및 다른 유리합성 산화물 RxOy 를 함유하고, 여기서 Ti 대 Ge과 RxOy 의 합의 중량%비는 1미만이다. 상기 x 및 y의 값은 1 내지 4의 정수이며, R은 W, Sn, Pb, 및 Sb로 이루어진 군으로부터 선택된다. 이러한 4개의 원소는 그것의 산화물이 예비성형품 염소건조 단계동안, 산화염화물 또는 염화물의 휘발성 물질을 형성하는 원소들로 이루어진 군의 예이다. 종래의 여러 가지 건조 및 고화 공정도 본 발명에 사용하기에 적합하다.
이러한 조성물들을 이용하여 제조된 예비성형품에서의 Ti+3의 농도는 100ppb이하이다.
이산화티탄 도핑의 특히 바람직한 특징은 블랭크(blank) 제조공정에서 낮은 확산 속도에 있다. 또한, 수트 레이다운 공정(soot laydown process)에 침적된 코도펀트 게르마니아 또는 RxOy 가 이어지는 예비성형품 제조단계에서 휘발될지라도, 이산화티탄은 타겟 굴절률 프로파일 형태(target refractive index profile)를 유지하도록 작용한다. 즉, 이산화티탄은 제 1의 예비성형품 제조단계로 제조된 프로파일 조절을 유지시켜, 인발 블랭크가 얻어지는 마지막 공정단계까지 상기 프로파일의 형태를 유지시킨다. 이산화티탄, 게르마니아 및 RxOy 의 도펀트 프로파일은 일부 게르마니아 및 필수적으로 모든 RxOy 가 휘발될 것이라는 지식을 갖고 블랭크를 형성하도록 침적된다.
본 발명의 제 4의 목적은 하기 단계를 포함하는 광도파관 예비성형품을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
a) 타겟 표면상에 미리 선택된 중량%비로 실리카 대 이산화티탄 대 게르마니아를 침적시켜 수트 예비성형품을 제조시키는 단계;
b) 승온된 온도에서 염소 기체로 예비성형품을 처리하여 상기 수트 예비성형품(soot preform)으로부터-0H이온을 제거시키는 단계;
c) b)단계 이후에, O2의 분위기하에서, 유리체(glass body)로 수트 예비성형품을 고화시키는 단계; 및
d) c)단계의 고화된 유리체에 대해 실리카의 클래딩 층을 제조시키는 단계.
상기 레이다운 단계 및 상기 클래딩 층 단계는 통상 화학 증기 증착 기술(chemical vapor deposition techniques)의 어떠한 것을 이용하여도 실행할 수 있다. 건조 및 고화 공정의 예는 Powers의 미합중국 특허 제 4,165,223호에 기재 및 설명되어 있다.
상기 방법의 바람직한 구현예에서, 이산화티탄 대 게르마니아의 중량비는 1미만이고, 실리카의 중량%는 55%이상이다.
상기 방법의 또 다른 바람직한 구현예에서, 이산화티탄은 7중량%이하이고, 게르마니아는 7중량%이상이며, 그 나머지 조성물은 실리카이다.
상기 방법의 가장 바람직한 구현예에서, 이산화티탄은 5중량%이하이고, 게르마니아는 16중량%이상이며, 그 나머지 조성물은 실리카이다.
도 1은 굴절률 프로파일의 일반적인 예시도이고,
도 2는 여러 가지 α 굴절률 프로파일을 도시하며,
도 3a는 중간 공정 단계에서 예비성형품의 단면도를 나타내고,
도 3b는 인발 예비성형품의 단면도이며,
도 4는 염소 처리이후에 도파관에서 도펀트의 농도 대 반지름 위치(radial position)를 도시하는 챠트이다.
본 발명은 도파관 코어에서 Ti+3및 이산화티탄의 결정 구조물의 존재를 필수적으로 제거하여, 광도파관 섬유내에서, 코어 도펀트로서 이산화티탄을 이용하는데 관계된 양(positive)의 요소를 인식하게끔 한다.
요구되는 굴절률 프로파일, 코어 및 클래드 유리사이의 바람직한 열팽창계수 정합을 제공하고, 원하지 않는 Ti+3과 이산화티탄의 결정 구조물이 실질적으로 코어내에 존재하지 않도록 하는 것을 제공하는 이산화티탄 및 코도펀트(codopant) 농도의 범위 및 코도펀트의 분류를 발견하게 되었다.
일반적인 굴절률 프로파일은 도 1의 (4)로서 도시된다. 상기에서 정의된 굴절률 또는 굴절률 Δ는 세로축(6)을 따라 도시된다. 도파관 코어 중심의 중심으로부터의 거리는 가로축(8)을 따라 도시된다. 어느 정도의 복잡한 형태가 도파관 제조공정에 필요성을 강조하기 위해 선택되어, 길이(2)로 도시된 바와 같이 코어 직경을 따라 굴절률을 증가시키고 감소시키는 도펀트의 목표로 되는 농도를 정확하게 달성시킨다.
가장 확실하게, 게르마니아 같이 통상적으로 사용되는 굴절률 증가 도펀트가 900℃이상의 온도에서 염소 가스로 수트 예비성형품을 처리하는 단계를 일반적으로 포함하는-OH 이온의 제거 단계동안 휘발되는 경향을 띠는데, 여기에 제조상의 문제점이 존재한다. 예비성형품에 다른 위치에서의 이러한 휘발 및 이어지는 재배치는 이른바 도펀트의 확산의 근원이 된다. 확산은 심한 굴절률 프로파일 변화를 약하게 하고 굴절률 프로파일 크기를 넓게 함에 따라 명백해진다.
메카니즘이 무엇이든, 도펀트의 이동성(mobility)은 굴절률 프로파일의 왜곡(distortion)을 초래한다. 상기 왜곡은 도파관 섬유의 특성에 악영향을 줄 정도로 강해질 수 있다.
도 4는 이산화티탄 도펀트의 장점을 도시한다. 전자 마이크로프로브(electron microprobe)를 이용하여 제작된 상기 챠트는 예비성형품에서 반지름 위치에 대한 상대 도펀트 %를 도시한다. 포물선형 굴절률 프로파일은 예비성형품의 코어 영역내에서 발견되었다. 곡선(26)은 이산화티탄 도펀트가-OH 제거 단계 동안 필수적으로 이동하지 않았다는 것을 나타낸다. 또한,-OH 제거단계 후의 게르마니아 위치를 도시하는 곡선(28 및 30)과 비교하면, 이산화티탄이 존재하는 경우인 곡선(28)에서 예비성형품에 잔재하는 게르마니아의 이동은 크게 감소됨을 나타낸다. 곡선(28)의 경우에는 존재하고, 곡선(30)의 경우에는 존재하지 않는 이산화티탄은 게르마니아의 이동 때문에 굴절률 프로파일의 왜곡을 제한시킨다.
이러한 현상의 부연설명으로는,-OH 제거단계동안, 염소는 하기 반응식에 의해 유리내에서 게르마니아와 결합된다.
상기 반응식에서 생성된 산소는 하기 반응식에 따라 Ti+3과 결합되어 흡수제가 제거된다. 2Ti2O3+O2=4TiO2
또한 산소도 기체상인 GeCl4와 쉽게 결합할 수 없다. 상기 도펀트는 예비성형품에서 제거되어 예비성형품내의 원래의 침적 위치로부터 떨어진 위치에서 예비성형품내에 침적되지 않는다.
예비성형품내에 침적된 많은 금속 산화물은 게르마니아와 유사한 방법으로 작용할 것으로 예상된다. 따라서 본 발명자들은 Ti+3의 제거에 있어서 다른 금속 산화물의 영향을 예상한다. 특히, 본 발명자들은-OH제거 단계에서 예비성형품으로부터 SnO2가 제거되는 경험을 하였고, W, Pb 및 Sb가 이와 유사하게 작용할 것이라는 것을 예상한다.
도펀트의 이동성이 감소되는 제안된 메카니즘의 정확함(correctness)이 이동성 감소의 사실을 어떠한 방법으로든 제한되거나 한정시키지 않는다.
흡수제 Ti+3의 형성을 억제시키기 위해 존재해야 하는 게르마니아의 총량은 일반적으로 이산화티탄 대 게르마니아의 중량%비가 1보다 적은 정도이다. 약 0.3의 이산화티탄 대 게르마니아 중량%비를 갖는 예비성형품의 직접적인 측정으로는, Ti+3가 전자 스핀 공명(electron spin resonance) 측정 시스템의 검출 한계인 100ppb이하가 됨을 입증하였다. 분광 측광기를 이용하여, 예비성형품으로부터 인발된 섬유의 추가 측정으로 Ti+3의 농도가 60ppb미만임을 입증하였다.
α 프로파일의 실시예는 도 2에 도시되어 있다. α가 2일때의 굴절률 프로파일의 곡선(10)은 포물선이고, α가 1일때의 굴절률 프로파일의 곡선(12)은 삼각형이고, 약 4보다 큰 α를 갖는 α프로파일에 의해 곡선(14)은 계단형 굴절률 프로파일이다. 크게 굴절률 프로파일 직경(16)의 길이는 도파관 섬유가 단일 모드인지 또는 다중 모드인지를 결정한다. 단일 모드 도파관의 통상적인 코어 직경은 20㎛미만인 반면, 다중 모드 도파관의 코어 직경은 40㎛보다 크다.
도 3a 및 도 3b는-OH 제거 및 수트 예비성형품 고화 단계를 설명하는데 도움을 줄 것이다. 도 3a는 다공성 수트 예비성형품(18)의 개략적인 단면도이다. 중심부(20)는 도핑된 실리카를 기초로 하는 유리이다. 환형부(22)인 순수한 실리카 영역은 때때로 코어를 따라 침적된다. 수트 예비성형품(18)은 통상적으로 1000℃이상까지 가열되고, 염소 기체는 다공성 수트를 따라 흐르게 되어 코어 수트로부터 빛을 흡수하는-OH 이온을 제거한다. 게르마니아 및 전술한 그 외의 것들과 같은 어떤 도펀트들이 염소와 결합되어 이동될 수 있음이 공정의 요지이다.
일반적으로 예비성형품은 염소 처리후에 즉시 수트 입자들을 유리로 고화시키기 위해 더 높은 온도로 가열시킴으로써, 유리 구조물과-OH이온의 재결합을 막고, 필수적으로 굴절률 프로파일을 적절히 고정시킨다.
특히 예비성형품 제조 공정에서, 클래딩 층의 잔류물은 도 3b에 개략적으로 도시된 인발 예비성형품(24)을 제조하기 위해 수트 예비성형품(18)으로부터 제조되는 고화체(consolidated body)상에 침적된다. 각각의 코어 및 클래딩 영역(20 및 22)이 도시되었다. 그리고 나서 예비성형품(24)은 도파관 섬유가 인발될 수 있는 것으로부터 인발 예비성형품으로 고화된다. 고화된 코어 예비성형품상에 클래드 관을 슬리브로 연결하는 것과 같은, 다른 예비성형품 제조 방법이 공지되어 있다. 도펀트 확산의 문제점은 다공성 예비성형품의 염소 처리를 포함하는 단계를 이용하는 일부방법에 존재한다.
실리카 유리 굴절룰 도펀트로서 이산화티탄의 더 큰 효율은 하기 표 1에 도시되어 있다.
GeO2중량% | TiO2중량% | △%(상대 굴절률) |
0 | 2.20 | 0.42 |
4.00 | 3.00 | 0.84 |
9.70 | 8.00 | 2.09 |
10.00 | 0.60 | 0.59 |
11.80 | 2.70 | 1.11 |
13.00 | 1.90 | 1.04 |
14.70 | 3.40 | 1.41 |
20.00 | 0.00 | 1.00 |
40.00 | 0.00 | 2.00 |
0.00 | 7.50 | 1.70 |
8.00 | 0.00 | 0.35 |
코어에 없는 도펀트 중 하나를 갖는 상기 데이터 열(data row)에서 특히 상대 굴절률 △%에 미치는 이산화티탄의 더 큰 영향이 명확히 기재되어 있다. 예를 들어, 마지막 두 줄의 데이터를 비교해 보면, 동일한 중량%에서, 이산화티탄은 게르마니아보다 5배이상으로 굴절률을 증가시킨다.
표 1에서의 데이터는 적합한 방정식을 만들기 위해 사용되었다.
여기서, 다시 이산화티탄의 더 큰 도펀트 증가력이 강조된다.
따라서, 신규한 도파관 섬유 코어 조성물은 다음과 같은 장점을 갖는다.
- (-OH) 제거 및 수트 고화 단계를 통해 타겟 굴절률 프로파일을 유지한다.
- 상당한 분율의 게르마니아 대신, 더욱 효과적이고, 더욱 저렴한 도펀트를 대용한다.
-광도파관 섬유에 두 개의 코어 도펀트만을 보유한다.
-적어도 두 개가 존재하고, Ti+3의 형성을 억제하는 예비성형품 도펀트의 조성물비를 설정한다.
-코어 및 클래드 유리 사이에 열적 응력을 감소시킨다.
본 발명의 특정적인 구현예가 이상에서 개시되고 설명되었지만, 본 발명은 하기 청구범위에 의해 한정되는 것은 아니다.
Claims (14)
- 코어 굴절률 프로파일 및 최대 굴절률
n0 상기 코어 유리 영역을 감싸며, 최소 굴절률nc n0>nc 상기 코어 유리는TiO2,GeO2 SiO2 TiO2 TiO2 GeO2 - 제 1항에 있어서, 상기
TiO2 TiO2 GeO2 - 제 1항에 있어서, 상기 클래드 유리층이 필수적으로
SiO2 - 제 1항에 있어서, 상기 광도파관 섬유가 다중 모드이고, 상기 코어 유리 영역의 굴절률 프로파일이 α 프로파일이며, 여기서 α는 1보다 큰 것을 특징으로 하는 광도파관 섬유.
- 제 4항에 있어서, 상기 광도파관 섬유가 수치 개구부를 가지며, 이 수치 개구부가 0.18 내지 0.32의 범위인 것을 특징으로 하는 광도파관 섬유.
- 제 4항에 있어서, 상기 α가 2이고, 수치 개구부가 0.275이상인 것을 특징으로 하는 광도파관 섬유.
- 최대 굴절률
n0 상기 코어 유리 영역을 감싸며, 최소 굴절률nc n0>nc 상기 코어 유리는 55중량%이상의SiO2 TiO2,GeO2 RxOy TiO2 GeO2 RxOy RxOy - 제 7항에 있어서, 상기
RxOy - 제 7항에 있어서, 상기 Ti+3의 농도가 100ppb이하인 것을 특징으로 하는 광도파관 섬유.
- 제 7항에 있어서, 상기 도파관은 굴절률 프로파일 형태를 갖는 인발 예비성형품을 가열하고 인발시켜 제조되고, 상기 인발 예비성형품은 굴절률 프로파일 형태를 갖는 수트 예비성형품으로부터 제조되고, 상기 수트 예비성형품이 유리상으로 고화되기 전에 염소 분위기에서 건조되, 상기 인발 예비성형품의 굴절률 프로파일 형태는 상기 수트 예비성형품의 굴절률 프로파일 형태와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 광도파관 섬유.
- a) 타겟 표면상에 미리 선택된 중량%비의 실리카 대 이산화티탄 대 게르마니아를 침적시켜 수트 예비성형품을 형성시키는 단계;b) 염소 기체로 상기 예비성형품을 처리하여 수트 예비성형품으로부터-OH 이온을 제거하는 단계;c) 상기 b)단계이후에, O2분위기하에서, 수트 예비성형품을 유리체로 고화시키는 단계; 및d)상기 c)단계의 고화된 유리체에 대해 실리카의 클래딩 층을 형성시키는 단계를 포함하는 광도파관 예비성형품을 제조하는 방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 미리 선택된 중량비가 실리카 55중량%이상, 이산화티탄 대 게르마니아 중량%의 비는 1미만인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 미리-선택된 비율이 7중량%이하의 이산화티탄, 7중량%이상의 게르마니아, 그 조성물의 나머지는 실리카로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 미리-선택된 비율이 5중량%이하의 이산화티탄, 16중량%이상의 게르마니아, 그 조성물의 나머지는 실리카로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
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