KR20020015395A - Process for the preparation of photonic crystal fiber - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a method for producing parent material of photonic crystal fiber from which an elongated photonic crystal fiber can be drawn while maintaining the circular cross section. CONSTITUTION: The method comprises steps of (i) surrounding a quartz glass rod forming a core part of a photonic fiber with multi-layered glass tubes forming a clad part; (ii) inserting the structure from the step (i) into a mold; and (iii) collapsing the product from the step (ii) to form a parent material of photonic crystal fiber. In the step (i), silica glass forming material, silica glass fiber or mixtures thereof is filled in the space among the quartz glass rod of the core part and an adjacent quartz glass tube and the respective quartz glass tubes.

Description

광자결정섬유 모재의 제조방법{PROCESS FOR THE PREPARATION OF PHOTONIC CRYSTAL FIBER}PROCESS FOR THE PREPARATION OF PHOTONIC CRYSTAL FIBER}

본 발명은 광섬유의 코어 층에 길이 방향으로 공기 층이 벌집모양으로 형성되어 있는 광자결정섬유(Photonic crystal fiber(PCF), 이하 PCF라 칭한다)용 모재 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a base material for photonic crystal fibers (PCF, hereinafter referred to as PCF) in which an air layer is formed in a honeycomb shape in a longitudinal direction in a core layer of an optical fiber.

광자 결정(photonic crystal)이란 서로 다른 유전 상수를 가진 물질을 주기적으로 배열하여 광자 전이층(photonic bandgap)을 얻을 수 있는 구조를 말한다. 광자 결정을 광섬유에 응용한 것은 대부분이 일반 광섬유의 코어에 해당하는 중심부분에 순수한 석영 유리 봉이 채워져 있으며 이 주위를 석영 유리 튜브들이 육각모양으로 둘러싸 클래딩을 형성하는 형태이다. 이렇게 주기적으로 석영 유리 튜브들을 배열하여 공기 층과 석영 유리 층의 유전상수 차이를 이용하여 광자 전이층을 만든다.A photonic crystal is a structure in which a photonic bandgap can be obtained by periodically arranging materials having different dielectric constants. The application of photonic crystals to optical fibers is made of pure quartz glass rods filled in the center part of the core of ordinary optical fibers, and the quartz glass tubes are surrounded by hexagonal shapes to form cladding. This periodic arrangement of quartz glass tubes creates a photon transition layer using the difference in dielectric constant between the air layer and the quartz glass layer.

이러한 광자 전이층은 반도체에서의 전자 전이층(electronic bandgap)처럼 특정한 방향으로의 빛의 진행을 방지하는 역할을 한다. 즉, 광자 전이층의 조건을 만족하는 빛만 광자 전이층을 통과할 수가 있다. 이러한 특성을 이용하여 상당히 다양한 파장에 대해서도 단일 모드를 갖는 광섬유를 제작할 수가 있다.This photon transfer layer serves to prevent the propagation of light in a specific direction, such as an electronic bandgap in a semiconductor. That is, only light that satisfies the conditions of the photon transfer layer can pass through the photon transfer layer. Using these characteristics, it is possible to fabricate optical fibers having a single mode for a wide variety of wavelengths.

PCF형 광섬유 제조시 원형을 유지하면서 충분히 긴 길이로 인출하기 위해서는 PCF 모재를 원형으로 제작해야 하는데, 일반적으로 광자결정섬유용 모재는 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같은 구조를 지닌다. 효율적인 광섬유을 제조하기 위해서는 PCF용 모재 내의 공기 층들의 간격과 그 원형을 유지하는 것이 관건이다. 이를 위해 몇 가지 방법들이 개발되었다.In the manufacture of PCF-type optical fiber, in order to draw a sufficiently long length while maintaining a circular shape, the PCF base material must be manufactured in a circular shape. In general, the base material for photonic crystal fiber has a structure as schematically shown in FIG. In order to manufacture efficient optical fibers, it is important to maintain the spacing of the air layers in the base material for the PCF and its shape. Several methods have been developed for this.

우선 육각모양의 석영 유리 봉에 원형의 구멍을 뚫어 광섬유 인출기 등을 통해 한 번 인출한 후, 이렇게 인출된 원형의 구멍이 나있는 봉들을 층으로 쌓아 세 번을 더 인출하는 방법이 있다(문헌[J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell and D. M. Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding", Opt.Lett., 21(19), 1996, 1547-1549] 참조). 상기 공정을 사용할 경우 석영 유리 봉에 원통형의 구멍을 내는 공정, 이를 인출기를 사용하여 한 번 인출하는 공정, 인출된 결과물을 다시 세 번 인출하는 복잡한 공정이 필요하므로 경제적이지 못하다.First, there is a method of drilling a circular hole in a hexagonal quartz glass rod and drawing it out once through an optical fiber extractor, etc., and then stacking the rods having such circular holes in a layer and extracting three more times. JC Knight, TA Birks, P. St. J. Russell and DM Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding", Opt. Lett., 21 (19), 1996, 1547-1549). . In the case of using the above process, it is not economical because it requires a process of making a cylindrical hole in the quartz glass rod, a process of drawing it out once using an extractor, and a process of drawing out the drawn result again three times.

또 다른 방법으로는 석영 유리 튜브들을 육각모양으로 층층이 쌓아 광섬유 인출기에서 한 번 인출된 후, 이렇게 인출된 석영 유리 튜브 다발에 붕규산 유리를 그 바깥부분에 붙여 다시 인출하는 방법이다(문헌[P. J. Bennett, Tanya M. Monro, D. J. Richardson, "Toward practical holey fiber technology: fabrication, splicing, modeling, and characterization", Opt. Lett., 24(17), 1999, 1203-1205] 참조). 이 공정을 통해 만들어진 PCF는 첫 번째 방법보다는 경제적이긴 하나, 석영 유리 튜브들간의 공간이 변형되면서 석영 유리 튜브 단면의 원형이 제대로 유지되지 않는 단점이 있다. 이는 PCF 모재 내에 존재하는 공기 층에 의한 열 단열 효과 때문에 최외각의 주형 석영 유리 튜브와 내부의 석영 유리 튜브들간의 열적 경험의 차이가 생기고, 이러한 열적 경험의 차이로 인하여 석영 유리 튜브들로 이루어진 각 층마다 그 공기 층의 크기가 달라지기 때문이다.Another method is a method of stacking quartz glass tubes in a hexagonal layer and drawing them out once in an optical fiber extractor, and then attaching the borosilicate glass to the outer portion of the quartz glass tube bundle thus extracted (PJ Bennett, Tanya M. Monro, DJ Richardson, "Toward practical holey fiber technology: fabrication, splicing, modeling, and characterization", Opt. Lett., 24 (17), 1999, 1203-1205). The PCF made through this process is more economical than the first method, but has the disadvantage that the circular shape of the quartz glass tube cross section is not properly maintained as the space between the quartz glass tubes is deformed. This results in a difference in the thermal experience between the outermost cast quartz glass tube and the inner quartz glass tubes due to the thermal insulation effect by the air layer present in the PCF substrate, and the difference in the thermal experience results in an angle of quartz glass tubes. This is because the size of the air layer varies from layer to layer.

따라서, 본 발명의 목적은 단면의 원형이 변형되지 않으면서 긴 길이로 인출이 가능한 광자결정섬유 제조용 모재 및 이로부터 제조된 광자결정섬유를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a base material for producing photonic crystal fibers and a photonic crystal fiber produced therefrom which can be pulled out to a long length without deforming the circular shape of the cross section.

도 1은 일반적인 광자결정섬유제조용 모재의 구조를 나타내는 개략도이고;1 is a schematic view showing the structure of a general photonic crystal fiber manufacturing base material;

도 2는 본 발명의 한 태양에 따른 광자결정섬유제조용 모재의 단면을 나타내고;2 shows a cross section of a base material for producing a photonic crystal fiber according to an aspect of the present invention;

도 3은 높은 점성의 실리카 콜로이드를 유리형성물질로 이용하여 제조한 PCF 모재로 제조한 PCF의 단면(인출 온도:2050℃, 인출 속도: 7m/min, 외경 140㎛)을 나타낸 것이다.Figure 3 shows a cross-section (draw temperature: 2050 ℃, extraction speed: 7m / min, outer diameter 140㎛) of the PCF made of a PCF base material prepared using a high viscosity silica colloid as a glass forming material.

본 발명의 상기 목적에 따라, (i) 광섬유의 코어부를 형성하는 석영 유리 봉(rod) 주위를 클래드부를 형성하는 다층의 석영 유리 튜브로 둘러싸는 단계; (ii) 단계(i)에서 얻은 구조를 주형 석영 유리 튜브에 넣는 단계 및 (iii) 이를 콜랩싱하는 단계를 포함하는 광자 결정 섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서, 단계(i)에서 석영 유리 봉과 인접한 석영 유리 튜브 사이 및 각각의 석영 유리 튜브 사이의 공간에 실리카 유리형성물질, 실리카 유리 섬유 또는 이들의 혼합물을 채우는 것을 특징으로 하는 광자 결정 섬유 모재의 제조 방법을 제공한다.According to the above object of the present invention, (i) surrounding a quartz glass rod forming a core portion of an optical fiber with a multilayer quartz glass tube forming a clad portion; A method of making a photonic crystal fiber matrix comprising (ii) placing the structure obtained in step (i) into a mold quartz glass tube and (iii) collapsing it; Provided is a method for producing a photonic crystal fiber base material characterized by filling a silica glass forming material, a silica glass fiber or a mixture thereof in the space between the quartz glass tubes and between each quartz glass tube.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

PCF형 광섬유 모재 제조시에는 먼저 도 1에 나타낸 바와 같이, 일반 광섬유의 코어에 해당하는 중심부분에 순수한 석영 유리 봉을 위치시키고, 이 주위를 다층의 석영 유리 튜브를 최대한 빈 공간이 없도록 둘러싸 일반 광섬유의 클래딩 부분에 해당하는 튜브층을 형성하도록 한다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 외경이 일정하며 내부가 비어 있는 석영 유리 튜브(외경: 3mm)를 석영 유리 봉(3mm; 일반 광섬유의 코어에 해당) 주위를 육각모양이 되게 쌓은 후, 이 위를 다시 같은 모양의 석영 유리 튜브들로 최대의 충진밀도를 가질 수 있게 층별로 엇갈리게 쌓는다(일반 광섬유의 클래딩에 해당). 이 때, 광자 전이층을 구현하기 위한 클래딩 부분의 석영 유리 튜브층은 두 층 이상의 다층이어야 하며, 층수가 증가할수록 광자 전이층(photonic bandgap)의 구현이 용이하다.When manufacturing a PCF-type optical fiber base material, as shown in FIG. 1, a pure quartz glass rod is placed in the center portion corresponding to the core of a general optical fiber, and surrounds the multi-layered quartz glass tube so that there is no empty space. To form a tube layer corresponding to the cladding portion of. For example, as shown in FIG. 2, after stacking a quartz glass tube (outer diameter: 3 mm) having a constant outer diameter and empty inside in a hexagonal shape around a quartz glass rod (3 mm (corresponding to a core of a general optical fiber), On top of this, the same shape of quartz glass tubes are stacked staggered layer by layer for maximum packing density (corresponding to the cladding of ordinary optical fibers). At this time, the quartz glass tube layer of the cladding portion for implementing the photon transfer layer should be a multilayer of two or more layers, and as the number of layers increases, it is easy to implement the photonic bandgap.

본 발명에 사용되는 석영 유리 봉에는 Er3+, Pr3+, Sm3+, Co3+, Cr3+, Ce3+, Nd3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+, Th3+, Pa3+, U3+, V3+등이 추가로 함유될 수 있다.The quartz glass rods used in the present invention include Er 3+ , Pr 3+ , Sm 3+ , Co 3+ , Cr 3+ , Ce 3+ , Nd 3+ , Eu 3+ , Gd 3+ , Tb 3+ , Dy 3+ , Ho 3+ , Tm 3+ , Yb 3+ , Lu 3+ , Th 3+ , Pa 3+ , U 3+ , V 3+ and the like may further be contained.

튜브의 외경은 2 내지 10mm, 내경은 0.5 내지 2 mm이고 길이는 100 내지 500mm이다. 또한, 석영 유리 봉은 직경 및 길이가 석영 유리 튜브와The outer diameter of the tube is 2 to 10 mm, the inner diameter is 0.5 to 2 mm and the length is 100 to 500 mm. Also, quartz glass rods are available with quartz glass tubes of diameter and length

본 발명에 사용되는 석영 유리 튜브의 외경은 2 내지 10mm, 내경은 0.5 내지 2 mm이고 길이는 100 내지 500mm이다. 또한, 석영 유리 봉은 직경 및 길이가 석영 유리 튜브와 동일한 것을 사용한다.The quartz glass tube used in the present invention has an outer diameter of 2 to 10 mm, an inner diameter of 0.5 to 2 mm and a length of 100 to 500 mm. In addition, the quartz glass rod uses the same diameter and length as a quartz glass tube.

본 발명에서 사용될 수 있는 실리카 유리형성물질로는 실리카 분말, 실리카 졸-겔(sol-gel) 형성용액, 점성이 큰 실리카 콜로이드를 들 수 있으며, 실리카 유리 섬유로는 직경이 0.10 내지 0.80 mm인 것을 사용할 수 있다. 실리카 분말의 경우에는 입경이 10 내지 수백 ㎚인 것이 사용된다. 실리카 졸-겔(sol-gel)형성용액은 TEOS(TetraEthylOrthoSilicate)(Si(OC2H5)4)와 같은 알콕사이드계 화합물을 증류수, 알코올 등에 분산시키는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 상기 졸-겔 형성 용액에는 실리카 분말이 포함될 수도 있다. 고점도 실리카 콜로이드는 점도가 10 내지 10,000 poise인 것으로, 실리카 분말을 증류수, 알코올 등에 30중량% 이상의 농도로 첨가하여 제조할 수 있다.Examples of the silica glass forming material that may be used in the present invention include silica powder, silica sol-gel forming solution, and highly viscous silica colloid, and the silica glass fiber may be 0.10 to 0.80 mm in diameter. Can be used. In the case of silica powder, a particle diameter of 10 to several hundred nm is used. The silica sol-gel forming solution may be prepared by a conventional method of dispersing an alkoxide compound such as TEOS (TetraEthylOrthoSilicate) (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) in distilled water, alcohol, or the like. The sol-gel forming solution may contain silica powder. The high viscosity silica colloid has a viscosity of 10 to 10,000 poise, and may be prepared by adding silica powder to distilled water, alcohol, or the like at a concentration of 30% by weight or more.

또한, 실리카 유리형성물질, 실리카 유리 섬유 또는 이들의 혼합물의 점도, 유리전이온도 및 융점 등의 물성을 조절하기 위하여 실리카 이외에 유리를 구성할수 있는 유리조직 구성 물질(Network Former, NWF), 유리조직 수정 물질(Network Modifier, NWM), 유리조직 중간 물질(Network Intermediate; NWI) 등을 추가로 사용할 수 있다. 대표적인 유리조직 구성 물질(Network Former, NWF)로는 SiO2,GeO2, B2O5,P2O5, As2O5, Sb2O5,V2O5등이 있고, 유리조직 수정 물질(Network Modifier, NWM)로는 Na2O, Ca2O, K2O 등이 있고, 유리조직 중간 물질(Network Intermediate; NWI)로는 Al2O3, Ga2O3,ZnO, PbO 등이 있다. 이들은 실리카 분말과 함께 혼합하여 사용하거나, 실리카 졸-겔 또는 고점도 실리카 콜로이드 제조시에 첨가하여 사용된다. 이 때 NWF는 약 50wt%이상, NWI와 NWM는 10 내지 50wt%를 사용한다(Arun K. Varshneya, "Fundamentals of Inorganic Glasses", Academic press, 1994 참조).In addition, in order to control the physical properties such as silica glass forming material, silica glass fiber or mixtures thereof, glass transition temperature and melting point, glass structure components (Network Former, NWF) and glass structure modifications that can form glass in addition to silica Substances (Network Modifier, NWM), Network Intermediate (NWI), etc. may be additionally used. Typical glass tissue materials (Network Former, NWF) include SiO 2 , GeO 2 , B 2 O 5, P 2 O 5 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , V 2 O 5, and the like. Examples of (Network Modifier, NWM) include Na 2 O, Ca 2 O, K 2 O, and the like, and the glass intermediate (NWI) includes Al 2 O 3 , Ga 2 O 3, ZnO, PbO, and the like. These may be used in combination with silica powder, or may be added in the preparation of silica sol-gel or high viscosity silica colloid. At this time, NWF is about 50wt% or more, and NWI and NWM use 10-50wt% (see Arun K. Varshneya, "Fundamentals of Inorganic Glasses", Academic press, 1994).

본 발명에서, 실리카 유리 섬유는 실리카 단독으로 이루어질 수도 있고, 실리카와 함께 상기 NWF, NWM, NWI 등을 추가로 함유할 수도 있다.In the present invention, the silica glass fibers may be made of silica alone, or may further contain NWF, NWM, NWI, and the like together with silica.

PCF 제조시 공기 층의 단열 효과로 인해 최외각의 석영 유리 튜브와 내부의 튜브들간의 열적 경험의 차이가 생기는데 이로 인해 석영 유리 튜브들로 이루어진 각 층마다 그 공기 층의 크기가 달라지게 된다.The insulation effect of the air layer in the production of PCF results in a difference in thermal experience between the outermost quartz glass tube and the inner tubes, which results in a different air layer size for each layer of quartz glass tubes.

이러한 문제를 극복하기 위해 본 발명에서는 광섬유의 코어에 인접하는 부분에서는 석영 유리 튜브의 내경을 작게 하고 외부로 갈수록 튜브의 내경을 크게 하여 최종 인출된 PCF 내의 공기 층의 크기가 일정하도록 한다. 이와 같이 내경을 조절함으로써 PCF 모재의 광자 전이층(photonic bandgap)을 자유롭게 조절 할 수 있다.In order to overcome this problem, in the present invention, the inner diameter of the quartz glass tube is made smaller at the portion adjacent to the core of the optical fiber, and the inner diameter of the tube is made larger as it goes outside, so that the size of the air layer in the final drawn PCF is constant. By adjusting the inner diameter in this way it is possible to freely control the photonic bandgap of the PCF base material.

또한, 석영 유리 튜브들을 석영 유리 봉과 함께 쌓기 전에 그 튜브들의 말단을 봉하여 석영 유리 튜브 내로의 불순물의 유입을 막은 후, 실리카 유리형성물질이 튜브 사이사이에 채워지도록 하는 것이 바람직하다.It is also desirable to seal the ends of the tubes before stacking them with the quartz glass rod to prevent the ingress of impurities into the quartz glass tube, so that the silica glass forming material is filled between the tubes.

예를 들면, 말단이 밀봉된 석영 유리 튜브들을 실리카 분말과 증류수의 혼합으로 제조된 높은 점성의 실리카 콜로이드에 침지시켜 코팅한다. 이때, 침지 후 튜브를 꺼내는 속도에 따라 코팅되는 두께가 달라지며, 본 발명에서는 7 내지 10 ㎜/s가 바람직하다. 실리카 졸-겔의 형성 용액의 경우에는, 튜브들 사이의 공간에 용액을 흘려넣어 채운 후, 통상적인 방법에 따라 상온에서 건조시켜 겔 상태로 만들고 이를 다시 고온에서 열처리하여 실리카 유리로 만든다. 유리형성물질로서 실리카 분말을 사용하는 경우에는, 예를 들어, 비닐이나 티슈를 사용하여 석영 유리 튜브를 문질러 정전기력을 발생시켜 분말이 튜브에 코팅되도록 한다. 미세한 분말의 경우에는 별도로 정전기를 발생시키지 않고도 코팅 할 수 있다. 본 발명에서, 석영 유리 튜브 사이의 공간에 유리형성물질이 많이 충진될수록 PCF 모재의 원형이 제대로 유지될 수 있다. 또한, 입자의 크기가 작을수록 표면에너지가 높아져서 유리화가 쉽게 일어난다. 실리카 유리 섬유의 경우, 튜브를 쌓을 때 유리 섬유를 튜브들 사이에 넣어 튜브들 사이의 공극을 최소화 한다. 실리카 유리 섬유를 PCF 모재제조에 사용함에 있어서, 유리 섬유 단독 혹은 유리 섬유와 함께 실리카 분말, 실리카 졸-겔, 또는 실리카 콜로이드를 사용할 수 있다.For example, end-sealed quartz glass tubes are coated by immersion in a highly viscous silica colloid made from a mixture of silica powder and distilled water. At this time, the coating thickness varies depending on the speed of taking out the tube after immersion, in the present invention is preferably 7 to 10 mm / s. In the case of a solution for forming a silica sol-gel, the solution is poured into the space between the tubes, followed by drying at room temperature according to a conventional method to obtain a gel state, which is then heat-treated at a high temperature to form silica glass. When silica powder is used as the glass forming material, for example, vinyl or tissue is used to rub the quartz glass tube to generate an electrostatic force so that the powder is coated on the tube. In the case of fine powder, it can be coated without generating static electricity separately. In the present invention, the more the glass forming material is filled in the space between the quartz glass tubes, the better the circularity of the PCF base material can be maintained. In addition, the smaller the particle size, the higher the surface energy and vitrification easily occurs. In the case of silica glass fibers, when the tubes are stacked, glass fibers are sandwiched between the tubes to minimize voids between the tubes. In using silica glass fibers in the production of PCF base materials, silica powder, silica sol-gel, or silica colloid may be used alone or in combination with glass fibers.

코팅된 석영 유리 튜브를 최대의 충진밀도를 가지도록 석영 유리 봉 주위에 육각모양으로 쌓은 후, 상기 구조물을 주형 석영 유리 튜브에 넣는다. 이때, 실리카 분말, 높은 점성의 실리카 콜로이드, 졸-겔 형성 용액 등의 실리카 유리 형성물질, 실리카 유리 섬유 등을 최외각층의 석영 유리 튜브와 주형 석영 유리 튜브사이에 채워 원형 유지를 할 수 있게 한다.The coated quartz glass tube is stacked hexagonally around the quartz glass rod for maximum packing density, and then the structure is placed in a mold quartz glass tube. At this time, a silica powder, a highly viscous silica colloid, a silica glass forming material such as a sol-gel forming solution, a silica glass fiber, or the like may be filled between the quartz glass tube and the mold quartz glass tube of the outermost layer to maintain circular shape.

이렇게 제조된 코어 및 클래딩부를 포함하는 주형 석영 유리 튜브, 즉, PCF 모재 전구체를 일반적인 MCVD공정을 통해 콜랩싱(collapsing) 한다. 콜랩싱 온도는 약 2,000 내지 2,100℃ 정도이며, 상기 열처리에 의해 최외각층의 석영 유리 튜브들과 주형 석영 유리 튜브가 융합되며, 석영 유리 튜브들 사이에 채워진 실리카 분말, 높은 점성의 실리카 콜로이드 또는 졸-겔 형성 용액 등이 유리화(vitrification)된다. 이 때, 석영 유리 튜브 공간들에 실리카 분말, 높은 점성의 실리카 콜로이드 등의 양이 많아질수록 소결온도는 낮아져 완전한 유리화가 가능하다. 또한, 졸-겔 형성용액을 사용할 경우, 튜브들간의 공간은 졸-겔을 통한 유리화가 이루어진다.The cast quartz glass tube, that is, the PCF base material precursor including the core and the cladding part thus manufactured is collapsed through a general MCVD process. The collapsing temperature is about 2,000 to 2,100 ° C., and the heat treatment fuses the outermost layer of quartz glass tubes and the mold quartz glass tube, and the silica powder, high viscosity silica colloid or sol-filled between the quartz glass tubes. Gel forming solutions and the like are vitrified. At this time, as the amount of silica powder, high viscosity silica colloid, and the like increases in the quartz glass tube spaces, the sintering temperature is lowered to allow complete vitrification. In addition, when using a sol-gel forming solution, the space between the tubes is vitrified through the sol-gel.

실리카 유리 섬유를 단독으로 또는 실리카 분말, 높은 점성의 실리카 콜로이드 또는 졸-겔 형성 용액 등과 같이 사용할 경우, 콜랩싱을 통해 실리카 유리 섬유 단독 또는 실리카 유리 섬유와 실리카 형성물질의 혼합물이 함께 튜브들 사이의 공간을 채우게 된다.When silica glass fibers are used alone or in combination with silica powder, highly viscous silica colloids or sol-gel forming solutions, etc., the silica glass fibers alone or a mixture of silica glass fibers and silica forming materials together with It fills the space.

광섬유 인출시의 온도는 통상 1,950 내지 2,150℃이므로, 이렇게 제조된 모재를 사용하여 PCF를 인출하는 동안 유리형성물질이 더욱 완전히 유리화된다.Since the temperature at the time of fiber drawing is usually 1,950 to 2,150 ° C., the glass forming material is more completely vitrified during the drawing out of the PCF using the base material thus prepared.

본 발명에서는 석영 유리 튜브들간의 공간을 채우기 위해 사용되는 실리카 분말, 졸-겔, 높은 점성의 실리카 콜로이드 등의 실리카 유리 형성물질, 실리카 유리 섬유 등과 함께 Er3+, Pr3+, Sm3+, Ce3+, Nd3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+, Th3+, Pa3+, U3+이온 등의 희토류 이온 및 Co3+, Cr3+, V3+등의 전이 금속 이온을 첨가하거나, 코어 형성용 석영 유리 봉으로서 희토류 이온 및 전이 금속 이온을 함유하는 유리 봉을 사용하여 기능성이 부여된 PCF 모재, 이를 이용한 광섬유 증폭기 및 능동소자를 제조할 수 있다.In the present invention, Er 3+ , Pr 3+ , Sm 3+ , together with silica glass forming materials such as silica powder, sol-gel, high viscosity silica colloid, silica glass fiber, etc., used to fill the space between the quartz glass tubes. Ce 3+ , Nd 3+ , Eu 3+ , Gd 3+ , Tb 3+ , Dy 3+ , Ho 3+ , Tm 3+ , Yb 3+ , Lu 3+ , Th 3+ , Pa 3+ , U 3 Functionality is achieved by adding rare earth ions such as + ions and transition metal ions such as Co 3+ , Cr 3+ , V 3+ , or by using glass rods containing rare earth ions and transition metal ions as quartz glass rods for core formation. The PCF base material, the optical fiber amplifier and the active element using the same can be manufactured.

본 발명을 하기 실시예를 들어 상세히 설명하나, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Although the present invention will be described in detail with reference to the following examples, the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1Example 1

외경 3mm, 내경 2 또는 1 mm, 길이 100 mm의 석영 유리 튜브의 양 말단을 약 2000℃의 고온으로 녹여서 밀봉한 후, 정전기력을 이용하여 실리카 분말(fumed silica)로 코팅하였다. 도 2에 나타낸 바와 같이 외경 3mm의 실리카 봉 주위를 석영유리 튜브로 층층이 엇갈리는 형태로 쌓았다. 이때, 내경 1mm인 튜브로 1층을 형성시키고, 이 주위를 내경 2mm의 튜브로 2층을 형성시켜 클래딩 부분이 모두 세 층이 되도록 하였다. 사용된 실리카 분말은 화염 가수분해 증착법(Flame Hydrolysis Deposition ; FHD)에 의해 만들어진 것으로 12nm의 입자 크기를 가진 것이다.Both ends of the quartz glass tube having an outer diameter of 3 mm, an inner diameter of 2 or 1 mm, and a length of 100 mm were melted and sealed at a high temperature of about 2000 ° C., and then coated with fumed silica using electrostatic force. As shown in Fig. 2, the layered layers were stacked around the silica rod having an outer diameter of 3 mm with a quartz glass tube. At this time, one layer was formed of a tube having an inner diameter of 1 mm, and two layers were formed of a tube having an inner diameter of 2 mm so that the cladding portions were all three layers. The silica powder used was made by Flame Hydrolysis Deposition (FHD) and had a particle size of 12 nm.

육각모양으로 쌓인 석영 유리 튜브들과 석영 유리 봉을 내경 19mm, 외경 25mm의 주형 석영 유리 튜브에 삽입한 후, MCVD공정(SG control 사, M754 이용, 온도: 약 2,000-2,200℃)을 통해 콜랩싱하여 약 25mm 직경의 PCF 모재를 제조하였다.Hexagonal quartz glass tubes and quartz glass rods were inserted into a cast quartz glass tube with an inner diameter of 19 mm and an outer diameter of 25 mm, and then collapsed through an MCVD process (SG control, M754, temperature: about 2,000-2,200 ° C). PCF base material of about 25mm diameter was prepared.

상기 모재를 사용하여 광섬유 인출기(SG control 사, M643)를 통해 PCF를 인출하였다.The base material was used to withdraw PCF through an optical fiber extractor (SG control, M643).

실시예 2Example 2

실리카 분말 대신에, TEOS와 에틸 알코올의 혼합물(약 5vol% 이상)졸을 이용하여, 상온에서 12시간 이상 동안 겔화시키는 졸-겔 방법을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 PCF 모재 및 섬유를 제조하였다.(참고문헌 Hans Bach, Dieter Krause, "Thin Film on Glass", Springer, Heidelburg, 1997)Instead of silica powder, the same procedure as in Example 1 was repeated except that the sol-gel method was used to gel at room temperature for at least 12 hours using a mixture of TEOS and ethyl alcohol (at least about 5 vol%) sol. Base materials and fibers were prepared (Refs. Hans Bach, Dieter Krause, "Thin Film on Glass", Springer, Heidelburg, 1997).

실시예 3Example 3

실리카 분말 대신에, 실리카 분말을 증류수에 30중량% 의 양으로 가하여 제조한 고 점성의 실리카 콜로이드를 사용하여 석영 유리 튜브를 코팅(침지후 꺼내는 속도 7mm/s)하는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 PCF 모재 및 PCF를 제조하였다.Instead of silica powder, the silica glass was prepared by adding silica powder in an amount of 30% by weight to distilled water, except that the quartz glass tube was coated (7 mm / s of extraction rate after immersion). PCF base material and PCF were prepared in the same manner.

상기 제조된 PCF의 단면을 도 3에 나타내었다(인출온도 2,050℃, 인출속도 7m/분, 외경 140㎛, 길이 10m). 도 3에 나타낸 바와 같이, 석영 유리 튜브의 원형이 잘 유지되어 있는 것을 알 수 있다.The cross-section of the prepared PCF is shown in Figure 3 (draw temperature 2,050 ℃, draw rate 7m / min, outer diameter 140㎛, length 10m). As shown in Fig. 3, it can be seen that the circular shape of the quartz glass tube is well maintained.

실시예 4Example 4

실리카 분말 대신에, 실리카 유리 섬유를 사용하여 석영 유리 튜브들 사이의 공간을 채우는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 PCF 모재 및 PCF를 제조하였다.Instead of silica powder, a PCF base material and PCF were prepared in the same manner as in Example 1 except that the silica glass fibers were used to fill the spaces between the quartz glass tubes.

실시예 5Example 5

실리카 유리 섬유를 실시예 1에서 사용된 실리카 분말과 함께 석영 유리 튜브들 사이의 공간을 채우는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 PCF 모재 및 PCF를 제조하였다.PCF base material and PCF were prepared in the same manner as in Example 1 except that the silica glass fibers were filled with the silica powder used in Example 1 to fill the space between the quartz glass tubes.

실시예 6Example 6

실리카 유리 섬유를 실시예 2에서 사용된 졸-겔 방법과 함께 석영 유리 튜브들 사이의 공간을 채우는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 PCF 모재 및 PCF를 제조하였다.PCF base material and PCF were prepared in the same manner as in Example 1 except that the silica glass fibers were filled with the space between the quartz glass tubes with the sol-gel method used in Example 2.

실시예 7Example 7

실리카 유리 섬유를 실시예 3에서 사용된 고 점성의 실리카 콜로이드와 함께 석영 유리 튜브들 사이의 공간을 채우는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 PCF 모재 및 PCF를 제조하였다.PCF base material and PCF were prepared in the same manner as in Example 1 except that the silica glass fibers filled the space between the quartz glass tubes with the high viscosity silica colloid used in Example 3.

본 발명의 방법에 따르면 PCF의 제조시 단면의 원형이 유지되면서 장거리 인출이 가능하다. 또한, 석영 유리 튜브 사이에 채우는 조성물에 Er3+, Pr3+, Sm3+, Ce3+, Nd3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+, Th3+, Pa3+, U3+이온 같은 희토류 이온 및 Co3+, Cr3+, V3+등의 전이 금속 이온을 첨가하거나, 일반 광섬유의 코어에 해당되는 석영 유리 봉 대신 상기의 희토류 이온 및 전이 금속 이온이 들어 있는 유리 봉을 사용하여 광섬유 증폭기 또는 능동소자를 PCF로 구현할 수 있다.According to the method of the present invention, the long-distance withdrawal is possible while maintaining the circular shape of the cross section during the manufacture of the PCF. In addition, the composition filled between the quartz glass tubes includes Er 3+ , Pr 3+ , Sm 3+ , Ce 3+ , Nd 3+ , Eu 3+ , Gd 3+ , Tb 3+ , Dy 3+ , Ho 3+ , Add rare earth ions such as Tm 3+ , Yb 3+ , Lu 3+ , Th 3+ , Pa 3+ , U 3+ ions and transition metal ions such as Co 3+ , Cr 3+ , V 3+ , or Instead of the quartz glass rod corresponding to the core of the glass rod, the glass rod containing the rare earth ions and transition metal ions may be used to implement an optical fiber amplifier or an active element as a PCF.

Claims (8)

(i) 광섬유의 코어부를 형성하는 석영 유리 봉(rod) 주위를 클래드부를 형성하는 다층의 석영 유리 튜브로 둘러싸는 단계; (ii) 단계(i)에서 얻은 구조를 주형 석영 유리 튜브에 넣는 단계 및 (iii) 이를 콜랩싱하는 단계를 포함하는 광자 결정 섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서, 단계(i)에서 석영 유리 봉과 인접한 석영 유리 튜브 사이 및 각각의 석영 유리 튜브 사이의 공간에 실리카 유리형성물질, 실리카 유리 섬유 또는 이들의 혼합물을 채우는 것을 특징으로 하는 광자 결정 섬유 모재의 제조 방법.(i) surrounding the quartz glass rod forming the core portion of the optical fiber with a multilayer quartz glass tube forming the clad portion; A method of making a photonic crystal fiber matrix comprising (ii) placing the structure obtained in step (i) into a mold quartz glass tube and (iii) collapsing it; A method for producing a photonic crystal fiber base material characterized by filling a silica glass forming material, a silica glass fiber or a mixture thereof in the space between the quartz glass tubes and between each quartz glass tube. 상기 석영 유리 봉이 Er3+, Pr3+, Sm3+, Co3+, Cr3+, Ce3+, Nd3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+, Th3+, Pa3+, U3+또는 V3+을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.The quartz glass rods Er 3+ , Pr 3+ , Sm 3+ , Co 3+ , Cr 3+ , Ce 3+ , Nd 3+ , Eu 3+ , Gd 3+ , Tb 3+ , Dy 3+ , Ho 3 + , Tm 3+ , Yb 3+ , Lu 3+ , Th 3+ , Pa 3+ , U 3+ or V 3+ . 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 실리카 유리형성물질이 실리카 분말, 실리카 졸-겔 형성용액 또는 고점도 실리카 콜로이드인 것을 특징으로 하는 방법.The silica glass forming material is silica powder, silica sol-gel forming solution or high viscosity silica colloid. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 유리 조직 구성 물질, 유리 조직 수정 물질 또는 유리 조직 중간 물질을 추가로 사용하여 석영 유리 봉과 인접한 석영 유리 튜브 사이 및 각각의 석영 유리 튜브 사이의 공간을 채우는 것을 특징으로 하는 광자 결정 섬유 모재의 제조 방법.A method of making a photonic crystal fiber base material characterized by further using a glass tissue constituent material, a glass tissue modification material or a glass tissue intermediate material to fill a space between a quartz glass rod and an adjacent quartz glass tube and between each quartz glass tube. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 실리카 유리 섬유가 실리카 단독으로 이루어지거나, 실리카와 함께 유리 조직 구성 물질(Network Former;NWF), 유리 조직 수정 물질(Network Modifier;NWM) 또는 유리 조직 중간 물질(Network Intermediate;NWI)을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.The silica glass fibers are made of silica alone, or together with silica, further contain a glass former (NWF), a network modifier (NWM), or a glass intermediate (NWI). Characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 실리카 유리형성물질, 실리카 유리 섬유 또는 이들의 혼합물과 함께 Er3+, Pr3+, Sm3+, Co3+, Cr3+, Ce3+, Nd3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+, Th3+, Pa3+, U3+또는 V3+를 추가로 사용하여 채우는 것을 특징으로 하는 방법.Together with the silica glass former, silica glass fiber or mixtures thereof Er 3+ , Pr 3+ , Sm 3+ , Co 3+ , Cr 3+ , Ce 3+ , Nd 3+ , Eu 3+ , Gd 3+ , Tb 3+ , Dy 3+ , Ho 3+ , Tm 3+ , Yb 3+ , Lu 3+ , Th 3+ , Pa 3+ , U 3+ or V 3+ Way. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 단계 (i)에서 석영 유리 튜브층 형성시에 튜브의 내경이 코어 부분에서부터 외부층으로 갈수록 증가하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.Adjusting the inner diameter of the tube to increase from the core portion to the outer layer when forming the quartz glass tube layer in step (i). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 단계 (ii)에서 석영 유리 튜브층과 주형 석영 유리 튜브 사이의 공간에 실리카 유리형성물질, 실리카 유리 섬유 또는 이들의 혼합물을 채우는 것을 특징으로 하는In step (ii) the silica glass forming material, the silica glass fibers or a mixture thereof is filled in the space between the quartz glass tube layer and the mold quartz glass tube. 방법.Way.
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