KR20000051960A - 오.에이치.차단층을 구비한 광섬유 모재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수정된 화학기상증착 방법에 의하여 제조되는 광섬유 모재에 관한 것으로서, 원튜브와 클래딩층과 사이에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 원튜브에 포함된 OH가 상기 클래딩층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제1차단층을 더 구비하고, 코아층의 굴절률은 클래딩층의 굴절률보다 크면서 중심부분으로 갈수록 점차 증가하는 것을 특징으로 하며, 또한 클래딩층과 코어층 사이에에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 클래딩층에 포함된 OH가 코어층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제2차단층을 더 구비하여, 코어증착공정, 응축공정 또는 크로징 공정에서 원튜브로부터 코어층으로 침투되는 OH를 효과적으로 차단할 수 있으며, 또한 광섬유 고속 인출에 의한 특성 약화를 방지할 수 있다.

Description

오.에이치. 차단층을 구비한 광섬유모재 및 그 제조방법 {Optical fiber preform having OH barrier and method of fabricating the same}
본 발명은 수정된 화학기상증착 (MCVD) 방법에 의하여 제조되는 광섬유 모재(preform)에 관한 것으로서, 특히 OH 차단층을 구비한 광섬유모재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광섬유의 생산성 향상을 위해서는 단위 모재당 인출할 수 있는 길이가 긴 대구경 모재의 제조가 필수적으로 요구된다. MCVD 공법을 이용한 모재 제조공정의 경우, 코아층을 얼마나 크게 증착할 수 있는가가 대구경 모재를 제작의 열쇠가 된다. 하지만 증착공정 중에 수반되는 튜브 응축과 아울러 튜브의 두께 증가로 인하여 코아층을 유리화하는데 코아층으로의 열전달이 부족하여 유리화가 잘 되지 않는 기술적 문제가 생길 수 있다.
단일모드 광섬유는 클래딩층 및 코어층을 증착하여 만든다. DC-SM (Depressed Cladding - Single Mode) 타입의 경우, 클래딩층은 증착온도와 굴절율을 낮추기 위하여 SiO2에 P2O5, GeO2, F 등을 도핑하여 증착하고, 광을 전송하는 코어층은 굴절율을 높이기 위하여 SiO2에 GeO2를 도핑하여 증착한 다음, 응축 및 클로징 공정을 통하여 광섬유 모재를 제작한다.
수정된 화학기상증착 (Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD) 방법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 공정에 있어서, 증착층의 두께가 두꺼워짐에 따라 증착과정에서 튜브의 자기응축(self-collapse)이 일어나게 되고, 결과적으로 더욱 더 튜브 두께가 증가하게 된다. 또한 두껍게 증착된 증착층을 유리화(sintering and consolidation)하기 위하여 고온의 버너가 필요하게 되며, 또한 응축(collapse) 및 클로즈(close) 공정 시간이 길어져서, 원튜브가 장시간에 걸쳐 고온에 노출되게 된다. 따라서 단위 모재당 300Km 이상의 광섬유를 인출할 수 있는 모재를 만들기 어렵다.
또한 클래딩층과 코아층의 직경비(b/a)를 작게 제작하는 경우, OH 흡수 손실이 급격히 상승하게 된다. 즉, 증착용 원튜브(substrate tube)에 포함된 미량의 수분(H2O) (일반적으로 수 ppm 정도)이 증착층으로 침투(diffusion)하면서, 침투된 수분이 클래딩 영역에 증착된 P2O5또는 SiO2와 결합하여 P-O-H 또는 Si-O-H 본드결합을 형성하고, 또한 코어영역까지 침투한 OH는 코어층에 증착된 SiO2또는 GeO2와 결합하여, Si-O 또는 Ge-O 본드결합을 해체하면서 Si-O-H 또는 Ge-O-H 본드결합을 형성하게 된다.
이와 같이 각 증착영역에서 수분과 결합하여 형성된 O-H 또는 P-O-H 본드결합은 특정한 파장영역에서 흡수밴드에 의한 광손실을 추가적으로 발생시킨다. 단일모드 광섬유의 경우 광손실에 영향을 크게 미치는 파장영역은, O-H 본드의 경우 1.24um 및 1.385um 대역, 그리고 P-O-H 본드의 경우 1.2-1.8um 대역이다. 또한 코어영역으로 침투한 OH는 비가교 산소 (Non-bridging Oxygen; NBO)를 형성하고, 그로 인하여 코어층에 있는 유리질의 구조적 균일도(homogenity)를 국부적으로 떨어뜨리게 되어, 코어층의 밀도 불균질(density fluctuation)을 유발하게 되고, 그 결과 산란 손실(scattering loss)이 증가하게 된다.
또한 증착층이 두꺼워짐에 따라 증착공정과 동시에 진행되는 유리화공정에서 튜브 내외경이 수축하는 현상이 발생함으로써 적절한 직경비 (즉, 클래딩 직경 / 코어 직경 = b/a)를 확보하기 힘들고, 이에 따라 OH 확산을 막아내기에 충분한 거리를 확보할 수 없어 OH에 의한 손실이 크게 증가된다.
종래에는 원튜브로부터 코어층으로 OH가 침투되는 것을 방지하기 위하여 클래딩층의 두께를 많이 쌓는 방법을 사용한다. 그러나 이 방법으로 대구경의 모재를 제작하는 경우, 튜브 수축으로 인하여 적절한 직경비를 확보하기 어렵고, 코어층의 증착공정 시에는 튜브층의 두께가 증가함에 의하여 코어 증착면까지의 열전달 효율이 떨어져 더욱 고온의 버너가 필요하다. 따라서, 튜브가 고온에 장시간 노출됨으로써 OH에 의한 손실이 크게 나타난다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 단일모드 광섬유의 굴절율 분포를 개선하여 낮은 직경비(b/a)를 가지면서도 저손실을 구현할 수 있는 광섬유모재 및 이를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 단일모드 (DC-SM) 광섬유를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명에 의한 단일모드 (DC-SM) 광섬유를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 화학기상증착 (MCVD) 방법을 사용하여 도 2에 도시된 본 발명에 의한 단일모드 광섬유를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 광섬유 모재는,
원튜브, 클래딩층 및 코아층을 구비하는 광섬유 모재에 있어서,
상기 원튜브와 상기 클래딩층과 사이에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 상기 원튜브에 포함된 OH가 상기 클래딩층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제1차단층을 더 구비하고, 상기 코아층의 굴절률은 상기 클래딩층의 굴절률보다 크면서 중심부분으로 갈수록 점차 증가하는 것을 특징으로 하며,
또한 상기 클래딩층과 상기 코어층 사이에에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 상기 클래딩층에 포함된 OH가 상기 코어층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제2차단층을 더 구비할 수 있다.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 광섬유 모재의 제조방법은,
원튜브, 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,
OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 제1차단층을 형성하는 단계; 상기 제1차단층 내부에 클래딩층을 형성하는 단계; 및 굴절율이 중심으로 갈수록 점차적으로 증가되도록 증착하여, 광신호가 전달되는 영역인 코어층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며,
또한 상기 클래딩층을 형성한 후 상기 코어층을 형성하기 전에 OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 제2차단층을 더 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 단일모드 (DC-SM) 광섬유를 설명하기 위한 도면이다. 도면에서 11은 원튜브, 12는 클래딩층, 그리고 13은 코어층을 나타낸다. 또한, ??+는 코어층의 굴절율을, ??-는 클래딩층의 굴절율을, a는 코어층의 직경을, 그리고 b는 클래딩층의 직경을 각각 나타낸다.
클래딩층(12)을 증착하기 위하여 P2O5를 사용하는데, 이 P2O5는 그 녹는점이 썹씨 570℃ 정도로서 비교적 녹는점이 낮기 때문에 이를 다른 원료물질과 사용함에 의하여 공정온도를 낮추고, 증착효율을 높일 수 있는 잇점이 있다. 그래서, 클래딩층(12)을 증착하기 위하여 P2O5를 사용하지만, 한편으로는 클래딩층(12)에 도핑된 P2O5는 큰 흡습성을 가지고 있기 때문에 원튜브(11)에 포함되어 있는 OH를 코어층(13)으로 전달해주는 OH-가교 역할을 담당하게 된다. 그리하여, 코어층(13)에서의 OH에 의한 손실이 증가되는 결과를 초래한다.
도 2a는 본 발명에 의한 단일모드 (DC-SM) 광섬유를 설명하기 위한 도면이다. 도면에서 21은 원튜브, 24는 제1차단층 (외부 클래딩층), 22는 중간 클래딩층, 25는 제2차단층 (내부 클래딩층), 그리고 23은 코어층을 나타낸다. 또한, ??N+는 코어층(23)의 굴절율을, ??N-는 중간 클래딩층(22)의 굴절율을, a는 코어층(23)의 직경을, 그리고 b은 중간 클래딩층(23)의 직경을 각각 나타낸다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 광섬유 모재의 클래딩층은 각각 그 화학조성비가 서로 다른 세 개의 층으로 구성된다. 즉, 클래딩층은 제1차단층인 외부 클래딩층(24), 중간 클래딩층(22) 및 제2차단층인 내부 클래딩층(25)으로 구성된다.
제1차단층(즉, 외부 클래딩층)(24)은 OH 농도가 큰 원튜브(21) 및 OH의 전달매체개인 P2O5가 포함된 중간 클래딩층(22) 사이에 위치하며, 원튜브(21)에 포함된 OH가 중간 클래딩층(22)으로 침투되는 것을 막기 위한 것이다. 또한, 제2차단층(즉, 내부 클래딩층)(25)은 중간 클래딩층(22)과 코어층(23) 사이에 위치하며, 원튜브(21)로부터 중간 클래딩층(22)으로 침투된 OH 또는 중간 클래딩층(22)의 증착 공정 중에 화학물질에 포함된 수분에 의한 OH가 광도파 영역인 코어층(23)으로 침투되는 것을 막기 위한 것이다.
증착용 튜브의 OH 함유량은 수십 ppb 정도이나 증착용 실리카는 수 ppb 정도로서 튜브에 비하여 상대적으로 낮다. 또한 증착용 화학물질 중 OH 성분에 대하여 구조적으로 가장 안정되고 고온에서 OH 침투를 효과적으로 차단할 수 있는 물질이 실리카이다. 따라서, 제1 및 제2차단층(24, 25)은 OH-가교 역할을 하는 P2O5를 포함하지 않으며, SiO2또는 SiO2+GeO2등을 이용하여 클래딩의 굴절율을 조절한다. 이들 차단층의 두께는 클래딩층의 두께에 따라 적절히 조절한다.
광섬유 모재의 굴절율 특성을 살펴보면, 코어층(25)의 굴절율은 클래딩층(23)의 굴절률보다 크며, 또한 코아 중심으로 갈수록 일정한 비율로 증가되도록 형성된다. 광섬유를 고속으로 인출할 때 급랭에 의한 열응력(thermal stress)이 발생된다. 따라서 코어층(25)에서 경계부분의 굴절율(??No)보다 중심부분으로 갈수록 증가하여 중심부분의 굴절율(??N)을 가장 크게 함으로써, 그 열응력에 의한 광섬유의 광손실 및 기계적 특성의 약화를 방지할 수 있으며, 따라서 낮은 직경비에서도 고속으로 저손실의 특성을 갖는 광섬유를 얻을 수 있다. 예컨대, 코아층의 최외각 부분의 굴절율은 코아층의 중심부분의 굴절률의 75-99%인 것이 바람직하다.
외부 클래딩층(24)과 내부 클래딩층(25)의 굴절율은 중간 클래딩층(23)의 굴절율과 동일하거나 비슷하게 조정되며, 원튜브(21) 또는 코아층(23)의 굴절율보다는 크지 않도록 조정된다.
일반적으로 원튜브 내의 증착층에서의 OH농도는 원튜브의 OH농도의 1/1000 이하이다. 그러나 클래딩 증착공정에서 공정온도를 낮추기 위하여 P2O5를 도핑하여 클래딩층을 증착하는데, 그 P2O5는 큰 흡습성을 갖는다. 그리하여, 클래딩층에 증착된 P2O5는 원튜브로부터의 OH를 코어층으로 전달하는 가교역할을 하기 때문에 코어층에서 OH에 의한 손실을 증가시킨다. 따라서, 본 발명에서는 OH 농도가 큰 원튜브와 OH 전달 매개체인 P2O5를 포함하는 클래딩층 사이에, 그리고 클래딩층과 코어층 사이에 OH 확산계수가 낮은 물질들로 도핑되어 증착된 OH 차단층을 형성하여, 튜브로부터 코어층으로의 OH 확산이 방지되도록 제어할 수 있다.
도 2b는 화학기상증착 (MCVD) 방법을 사용하여 도 2a에 도시된 본 발명에 의한 단일모드 광섬유를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. MVCD 방법은 유리로 된 원튜브(21) 속으로 SiCl4, GeCl4, POCl3, BCl3등의 고순도 캐리어가스를 산소와 함께 불어 넣고 가열수단에 의하여 원튜브에 열을 가하면 열산화반응에 의하여 그을름 형태의 산화퇴적물이 원튜브의 안쪽에 형성된다.
본 발명에서는 클래딩층을 증착하는 공정에서, OH 전달 매개체가 되는 흡습성이 큰 P2O5등을 제외하고 OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 외부클래딩층(제1차단층)을 형성한 다음, 열전달 특성 및 굴절율 등을 고려하여 공정온도를 낮추고 증착효율을 높이는데 적합한 물질을 더 도핑하여 중간클래딩층을 형성하고, 그 다음 다시 OH 전달 매개체인 P2O5등을 제외하고 OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 내부클래딩층(제2차단층)을 형성한다. 그리고 광신호가 전달되는 영역인 코어층은 그 중심의 굴절율보다 낮게 시작하여 코아 중심으로 갈수록 일정한 비율로 증가되도록 형성한다. 따라서, 각 증착층에 따라 주입되는 원료가스의 조합이 달라지게 되는데, 이것은 혼합밸브 및 차단밸브를 적절히 제어하여 수행될 수 있다.
증착공정에서 중간 클래딩층(22)을 사이에 두고 OH-가교역할을 하는 P2O5가 포함되지 않은 외부 및 내부 OH-차단층(24, 25)을 증착시킴으로써, 코어증착공정, 응축공정 또는 크로징 공정에서 원튜브(21)로부터 코어층(23)으로 침투되는 OH를 효과적으로 차단할 수 있다. 따라서 적절한 직경비(b/a)를 유지하면서도 코어층에서의 OH-흡수밴드에 의한 손실을 최소화할 수 있다. 또한 직경비를 보다 작게 할 수 있어 증착횟수를 줄일 수 있으므로써 공정시간도 단축할 수 있다. 여기서, 클래딩층의 직경(b)과 상기 코아층의 직경(a)의 비(b/a)가 1.1-3.0인 것이 바람직하다.
한편, 증착과 함께 진행되는 소결공정에서 내부표면장력으로 인한 자기응축이 수트(soot) 입자의 유리화과정에서 나타나는 데, 점성도가 큰 원튜브와 점성도가 상대적으로 크게 낮은 클래딩층 사이에 튜브의 정성도와 유사한 버퍼층이 존재함으로써 튜브의 억지력을 향상시켜 튜브 수축을 줄일 수 있다.
MCVD공법을 이용하여 광섬유 모재를 제작하는 경우, 직경비가 작을수록 전체 공정시간이 짧고 대구경 모재 제작에 훨씬 유리하다. 종래에는 직경비를 작게하면 OH 손실이 급격히 증가하여 광섬유 품질에 나쁜 영향을 미치게 되어, 통상적으로 직경비가 대략 3.0 정도인 것으로 알려져 있다. 그러나 본발명에 의하면 직경비를 3.0 이하로, 예컨대 1.1-3.0 정도로 하면서도 OH 흡수손실을 줄일 수 있고 열응력에 의한 손실도 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 오.에이치. 차단층을 구비한 광섬유모재 및 그 제조방법에 의하면, 증착공정에서 원튜브와 클래딩층 사이 및 클래딩층과 코어층 사이에 P2O5가 포함되지 않은 외부 및 내부 OH-차단층을 증착시키고 또한 코아층의 굴절율 분포를 중심으로 갈수록 점차 증가하도록 형성시킴으로써, 코어증착공정, 응축공정 또는 크로징 공정에서 원튜브로부터 코어층으로 침투되는 OH를 효과적으로 차단할 수 있으며, 또한 광섬유 고속 인출에 의한 특성 약화를 방지할 수 있다.

Claims (9)

  1. 원튜브, 클래딩층 및 코아층을 구비하는 광섬유 모재에 있어서,
    상기 원튜브와 상기 클래딩층과 사이에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 상기 원튜브에 포함된 OH가 상기 클래딩층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제1차단층을 더 구비하고,
    상기 코아층의 굴절률은 상기 클래딩층의 굴절률보다 크면서 중심부분으로 갈수록 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클래딩층과 상기 코어층 사이에에 위치하며, OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착되어 상기 클래딩층에 포함된 OH가 상기 코어층으로 침투되는 것을 방지하기 위한 제2차단층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 또는 제2차단층은
    SiO2또는 SiO2+GeO2로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 또는 제2차단층은
    그 굴절율이 상기 원튜브 또는 상기 코아층의 굴절율보다는 크지 않은 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 클래딩층의 직경(b)와 상기 코아층의 직경(a)의 비(b/a)가 1.1-3.0인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 코아층의 최외각 부분의 굴절율은 상기 코아층의 중심부분의 굴절률의 75-99%인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
  7. 원튜브, 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,
    OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 제1차단층을 형성하는 단계;
    상기 제1차단층 내부에 클래딩층을 형성하는 단계; 및
    굴절율이 중심으로 갈수록 점차적으로 증가되도록 증착하여, 광신호가 전달되는 영역인 코어층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 클래딩층을 형성한 후 상기 코어층을 형성하기 전에
    OH 확산계수가 낮은 물질에 의하여 증착하여 제2차단층을 더 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제1 또는 제2차단층 형성단계는
    SiO2, 또는 SiO2+GeO2로 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
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