KR20020073748A - 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 제조방법 및이를 이용하여 제조된 비선형광섬유 - Google Patents

수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 제조방법 및이를 이용하여 제조된 비선형광섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유에 소정 불순물성분을 첨가시켜 특수기능을 갖는 광섬유모재를 제조하는 방법에 있어서, 석영유리관 양 끝단을 부분함몰시킨 후 불순물성분 도핑공정을 수행함으로써, 안정적인 불순물 성분의 도핑을 수행함과 더불어 도핑 물질의 양을 증가시킬 수 있도록 된 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광섬유모재 제조방법은, 석영유리관내에 클래딩층 및 코어층을 형성하고, 코어층을 부분소결하여 이 부분소결된 부분에 불순물성분을 도핑시켜 소정 기능을 갖는 광섬유모재를 생성하는 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 생성방법에 있어서, 상기 클래딩층 및 부분 소결된 코어층이 형성된 석영유리관의 양 끝단을 부분 함몰시킨 후 상기 불순물 성분을 도핑시키도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 비선형 광섬유는 석영유리관내에 클래딩층 및 코어층을 형성하고, 코어층을 부분소결한 후 석영유리관의 양 끝단을 부분 함몰시키고, 부분 함몰된 석영유리관으로 소정 불순물 성분, 특히 반도체 미립자를 도핑하여 생성되는 것을 특징으로 한다.

Description

수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 비선형광섬유{Method for fabricating optical fiber preform by MCVD and nonlinear optical fiber using the same}
본 발명은 광섬유모재 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 광섬유에 관한 것으로, 특히 광섬유에 소정 불순물성분을 첨가시켜 특수기능을 갖는 광섬유모재를 제조하는 방법에 있어서, 석영유리관 양 끝단을 부분함몰시킨 후 불순물성분 도핑공정을 수행함으로써, 안정적인 불순물 성분의 도핑을 수행함과 더불어 도핑 물질의 양을 증가시킬 수 있도록 된 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 비선형 광섬유에 관한 것이다.
광통신에 이용되는 광섬유는 고순도 석영유리로 만들어지는 클래딩(Cladding)부분과 실리카 유리에 게르마늄(Ge)등을 첨가하여 광 굴절률을 약간 높인 코어(core)부분의 광 굴절률 차에 의한 전반사를 이용하여 빛을 전송하는 소자이다.
일반적으로 상기한 광섬유를 제조하는 공정은 광섬유 모재를 만드는 공정과 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출하는 공정으로 나뉘어지며, 모재를 만드는 공정은 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)법이나 VAD(Vapor-phase Axial Deposition) 또는 OVD(Outside Vapor Deposition)등의 방법을 이용한다.
또한, 상기한 광섬유에 기능성을 부여하기 위해서는 일반적으로 MCVD공정에서 코어층을 증착/ 부분소결한 후 도핑하고자 하는 불순물 성분이 들어있는 용액을코어층 소결부분에 도핑하는 공정을 수행하게 된다.
도1은 일반적인 MCVD법을 통한 기능성 광섬유모재 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 석영 유리관내부에 SiCl4, POCl3와 CF4, GeCl4등의 원료가스를 산소와 함께 불어 놓고 소정 가열수단에 의해 석영 유리관에 열을 가하면 열산화반응에 의하여 그으름형태의 산화퇴적물이 석영 유리관내부에 형성됨으로써, 클래딩층 및 코어층을 형성하게 된다(ST1, ST2).
이어, 상기 코어층을 부분 소결한 후 소정 기능성을 갖기 위한 불순물 성분을 도핑하게 된다(ST3).
그리고, 불순물 성분이 도핑된 부분을 건조시키며, 소정의 산화과정을 거치는 소결공정을 수행하게 된다(ST4).
이후, 소결 공정이 완료된 광섬유에 콜랩싱 및 실링공정을 수행함으로써, 광섬유 모재를 제조하게 된다(ST5,ST6).
여기서, 상기 불순물도핑공정(ST3, ST4)은 도2에 도시된 바와 같은 장치를 통해 수행되게 되는 바, 도3을 참조하여 불순물성분 도핑과정을 설명한다.
도3의 (A)에 도시된 바와 같이, 석영 유리관(31)내에 클래딩층(32)과 코어층(33)이 형성되되, 코어층(33)이 부분소결되어 구성된 석영유리관(31)를 테프론(Teflon)연결기(20)를 통해 실린더(10)와 결합하게 된다.
이때, 상기 실린더(10)에는 석영유리관(31)내에 도핑할 불순물 성분이 함유된 용액(S)이 들어있게 되고, 이 용액(S)을 상기 석영유리관(31)내로 제공하기 위해 소정 가스, 예컨대 아르곤(Ar)가스를 주입/배기하기 위한 가스주입/배기구(11)를 구비하여 구성된다.
즉, 테프론연결기(20)를 통해 석영유리관(31)와 실린더(10)가 결합된 상태에서, 실린더(10)의 가스주입/배기구(11)를 통해 일정량의 아르곤가스를 주입하게 되면, 가스주입에 따른 압력에 의해 실린더(10)내에 있는 용액(S)이 테프론연결기(20)를 통해 광섬유모재(30)내로 유입된다. 즉, 석영유리관(31)은 도3의 (B)와 같은 상태를 유지하게 된다.
이후, 상기 도3의 (B)와 같은 상태가 형성된 후 소정 시간이 경과하게 되면, 실린더(10)의 가스주입/배기구(11)를 통해 아르곤가스를 배기하게 되는 바, 이에 따라 석영유리관(31)내에 존재하는 용액(S)이 테프론연결기(20)를 통해 실린더(10)로 유입된다. 즉, 도3의 (C)와 같이, 코어층의 소결부분에 해당 용액이 도핑되게 된다.
그러나, 상기 도2와 같은 장치는 불순물성분의 도핑공정만을 위한 장치로서, 이외 다른 공정, 예컨대 석영유리관에 클래딩층 및 코어층을 형성하는 공정 및, 소결공정과, 콜랩싱, 실링공정은 일반 MCVD공정용 장치를 통해 수행된다.
따라서, 일반 MCVD공정용 장치를 통해 석영유리관에 클래딩층 및 코어층을 형성한후, 이 석영유리관을 분리시켜 도2와 같은 별도의 장치에 설치한 후 불순물 성분 도핑공정을 수행하고, 다시 불순물성분 도핑공정이 완료된 석영유리관을 일반 MCVD공정용 장치에 설치하여 이후 공정을 수행함에 따라 광섬유 모재 공장상의 번거로움이 있게 된다.
또한, 상기 도2와 같은 불순물성분 도핑장치에 있어서는 석영유리관을 수직으로 세워 불순물성분이 함유된 용액을 소정 시간동안 채웠다가 배출함으로써, 불순물성분 도핑공정을 수행하게 되는 바, 수직으로 세워진 석영유리관으로부터의 용개 배출시 코어 소결부분에 잔류하던 불순물 성분도 함께 배출되게 되는 문제가 있게 된다.즉, 도3의 (D)에 도시된 바와 같은 광섬유모재가 형성되게 된다.
도3의 (D)에 도시된 바와 같이, 코어층이 균일하지 않은 광섬유는 불순물성분 도핑에 따른 기능의 특성을 저하시키는 요인으로 작용되게 된다.
특히, 최근에는 광통신기술이 발달함에 따라 고속의 비선형광소자, 예컨대 광커플러, 광변조기, 광스위치, 광아이솔레이터등을 요구하고 있으며, 이러한 비선형광소자를 생성하기 위한 노력으로 광섬유에 반도체 미립자를 도핑하고자하는 연구가 진행중이다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래 광섬유모재 제조방법에 의해서는 현재까지의 불순물 성분의 사이즈보다 큰 사이즈, 즉 수 nano크기의 반도체 미립자를 도핑하는데에는 어려움이 있게 된다.
이에, 상기한 불순물성분 도핑장치에 있어서는 코어층의 소결부분을 제한하여 도핑되는 불순물성분의 양을 한정시키도록 하고 있다.
그러나, 상기한 불순물성분의 도핑 양을 제한하는 것은 불순물의 도핑양에 의해 영향을 받는 기능성 광섬유, 특히 비선형 광섬유의 특성을 제한하는 결과를 낳게 된다.
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 클래딩층과 코어층이 형성된 광섬유모재의 시작부분과 끝부분을 부분 함몰시킨 후, 불순물성분의 도핑공정을 수행하도록 함으로써, 기존 광섬유모재 생성장치를 통해 광섬유모재의 코어층이 균일하게 형성되도록 불순물성분을 도핑할 수 있도록 된 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 제조방법을 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
또한, 상기한 광섬유모재 제조방법을 통해 다소 큰 사이즈의 반도체 미립자를 도핑하여 안정적인 비선형특성을 갖는 비선형광섬유를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
도1은 일반적인 MCVD법을 통한 광섬유모재 제조공정을 설명하기 위한 도면.
도2는 일반적인 불순물 성분 도핑공정을 수행하기 위한 장치의 구성을 나타낸 도면.
도3은 도2에 도시된 불순물 성분 도핑장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
도4는 본 발명에 따른 MCVD법에 의한 광섬유모재 제조장치의 구성을 나타낸 도면.
도5는 도4에 도시된 장치의 불순물 성분 도핑공정을 설명하기 위한 도면.
도6은 도5와 같은 반도체 미립자 성분 도핑공정을 수행한 비선형 광섬유와, 도2와 같은 반도체 미립자 성분 도핑공정을 수행한 비선형 광섬유의 광흡수계수특성을 나타낸 실험결과를 나타낸 도면.
***** 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 *****
51 : 선반, 52 : 석영유리관,
53 : 가열부위, 54 : 가열수단,
55 : 이동방향, 56 : 이동수단,
57 : 입력튜브, 58 : 물질제공부.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 제조방법은, 석영유리관내에 클래딩층 및 코어층을 형성하고, 코어층을 부분소결하여 이 부분소결된 부분에 불순물성분을 도핑시켜 소정 기능을 갖는 광섬유모재를 생성하는 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 생성방법에 있어서, 상기 클래딩층 및 부분 소결된 코어층이 형성된 석영유리관의 양 끝단을 부분 함몰시킨 후 상기 불순물 성분을 도핑시키도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비선형 광섬유는, 석영유리관내에 클래딩층 및 코어층을 형성하고, 코어층을 부분소결한 후 석영유리관의 양 끝단을 부분 함몰시키고, 부분 함몰된 석영유리관으로 소정 불순물 성분을 도핑하여 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불순물 성분은, PbTe, PbS, SnTe, CuCl, CdSe 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 미립자성분인 것을 특징으로 한다.
즉, 상기한 바에 의하면, 석영유리관의 양단을 부분 함몰시킨 후, 불순물성분이 함유된 물질, 특히 수 nano크기의 반도체 미립자를 도핑시킴으로써, 별도의 장치 필요없이 종래 광섬유모재 제조장치를 이용하여 안정적인 불순물성분 도핑공정을 수행할 수 있게 됨은 물론, 이를 이용하여 특성이 양호한 비선형 광섬유를 생성하는 것이 가능하다.
이어, 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
도4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 MCVD법에 의한 광섬유모재 제조장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도4에 도시된 바와 같이, 광섬유모재 생성장치는 선반(51)이 석영유리관(52)를 지지하며, 가열수단(54)은 석영유리관(52)의 가열부위(53)에 열을 가한다. 예컨대 석영유리관(52)은 제 1방향(55a)으로 회전하며, 상기 가열수단(53)은 이동부재(56)에 의하여 제 2방향(55b)으로 이동하게 된다. 즉, 석영유리관(52)의 가열부위(53)는 선회이동되게 된다.
한편, 물질제공부(58)는 기능성 광섬유모재를 형성하기 위한 소정 물질, 특히 수 nano크기의 반도체 미립자성분이 함유된 물질, 예컨대 액체를 입력튜브(57)를 통해 석영유리관(52)으로 유입제공하게 된다. 이때, 상기 물질제공부(58)로부터 석영유리관(52)으로 유입되는 반도체미립자는 PbTe, PbS, SnTb, CuCl, CdS, CdS, CdSe 중 적어도 하나를 포함한 성분이 된다.
이어, 상기한 구성으로 된 장치를 이용한 광섬유모재 제조공정을 설명한다.
우선, 도4에 도시된 바와 같이, 광섬유모재를 형성하기 위한 석영유리관(52)이 선반(51)에 설치된 상태에서, 물질제공부(58)로부터 클래딩 및 코어층을 형성하기 위한 소정 물질, 예컨대, SiCl4, POCl3와 CF4, GeCl4등의 물질이 산소와 함께 입력튜브(57)을 통해 석영유리관(52)내로 유입된다.
이어, 석영유리관(52)을 제 1방향(55a)으로 회전시킴과 더불어, 가열수단(54)을 제 2방향(55b)으로 이동시켜 석영유리관(52)내에 클래딩층과 코어층을 형성한다.
그리고, 기능성 광섬유모재를 생성하기 위한 불순물 성분 도핑을 위해 코어층을 부분소결하게 된다.
이후, 코어층이 부분 소결된 상태의 석영유리관(52)에 소정 불순물성분을 도핑하게 되는 바, 그 공정과정을 도5를 참조하여 설명한다.
우선, 도5의 (O)에 도시된 바와 같이, 코어층(core)이 부분소결된 석영유리관(52)이 형성된 상태에서, 가열수단(54)을 제 2방향(55b)으로 이동시켜 도5의 (P)에 도시된 바와 같이 석영유리관(52)의 양 끝부분을 부분 함몰시킨다.
즉, 도4의 장치에서 석영유리관(52)의 제 1단(521) 위치에 가열수단(54)을 일정시간 고정 유지시켜 석영유리관(52)의 제 1단(521)을 소정 레벨 함몰시키고, 이후 석영유리관(52)의 제 2단(522)에 대해서도 상술한 바와 같은 동작을 수행하여 석영유리관(52)의 제 2단(522)이 소정 레벨 함몰되도록 한다. 이때, 석영유리관(52)의 함몰높이는 코어층의 높이보다 같거나 높게 설정한다.
이후, 도5의 (P)에 도시된 바와 같이 석영유리관(52)의 양 끝부분이 부분함몰된 상태에서 물질제공부(58)로부터 불순물성분이 함유된 물질, 즉 기능성 용액을 석영유리관(52)내로 유입시키게 된다.
이때, 물질제공부(58)로부터 석영유리관(52)내로 유입되는 불순물 성분이 함유된 기능성 용액은 석영유리관(52)의 제 1단(521)과 제 2단(522)에 형성된 함몰부분의 높이 및 코어층의 소결부분에 대응되도록 제공하게 된다.
즉, 도5의 (Q)에 도시된 바와 같이, 석영유리관(52)에 불순물 성분이 함유된 기능성 용액 유입시 석영유리관(52)을 회전시켜 원통형상의 석영관유리(52)내에 형성된 코어층의 소결부분에 불순물성분이 잔류하도록 동작하게 된다.
여기서, 상기 석영유리관(52)은 양끝단이 코어층과 같도록 구성함으로써, 코어층에 형성된 소결부분이 많더라도 해당 소결부분에 불순물성분이 안정성있게 잔류하게 된다. 즉, 코어층에 도핑되는 불순물성분의 양을 증대하는 것이 가능하다.
이어, 물질제공부(8)는 석영유리관(52)내부로 O2와 Cl2를 통과시켜 상기한 불순물 성분 도핑시에 발생되는 수산기(hydroxy1 : OH)성분을 제거함과 더불어, 소정 시간동안 석영관유리(52)를 제 1방향으로 회전시키고 가열수단(54)을 제 2방향으로 이동시켜 석영관유리(52)내의 불순물 성분을 건조시키게 된다.
도6은 상기한 방법으로 불순물성분을 도핑한 비선형 광섬유와 종래방법으로불순물성분을 도핑한 비선형 광섬유의 광흡수계수특성실험 결과를 나타낸 도면이다.
도6에서 (X)는 종래 불순물 도핑방법을 이용하여 반도체 미립자인 PbTe성분을 도핑한 비선형 광섬유의 광흡수계수특성을 나타낸 것이고, (Y)는 본 발명에 따른 부분함몰법에 따른 불순물 도핑방법을 이용한 PbTe성분을 도핑한 비선형 광섬유의 광흡수계수특성을 나타낸 것으로, 이는 광섬유의 코어층에 0.05몰(Mol)의 PbTe성분을 도핑한 실험결과이다.
도6의 (X)에 도시된 바와 같이, 종래 불순물 도핑방법을 이용하여 PbTe성분을 도핑한 경우에는, PbTe성분의 고유 진동파장인 1050nm파장영역에서 광 흡수가 일어나지 않았다. 이는 비선형 광특성을 발현할 만큼의 PbTe가 제대로 도핑되지 않았다는 것을 의미하는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 부분함몰법을 이용하여 PbTe성분을 도핑한 경우에는 도6의 (Y)에 도시된 바와 같이 1050nm파장영역에서 광흡수 계수가 0.0005cm-1로 나타났다. 이는 수 nano크기의 PbTe성분이 석영유리관 내의 코어층에 도핑되어 존재한다는 것을 의미한다.
즉, 본 발명에 따른 부분 함몰법에 따라 수 nano크기의 반도체 미립자를 도핑하는 경우에는 종래 방법에 비해 광대역에서 광흡수계수가 전체적으로 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 동일한 반도체 미립자를 도핑하는 경우, 본 발명에 따른 부분 함몰법에 따른 반도체 미립자 도핑공정시 종래방법보다 광섬유의 코어층에반도체 미립자의 도핑 농도가 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 별도의 부가장치를 이용하지 않고 종래 광섬유모재를 제조하는 장치를 이용하여 불순물 성분 도핑공정, 특히 수 nano크기의 반도체 미립자 도핑을 수행하는 것이 가능하며, 도핑되는 불순물성분의 양을 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 불순물 성분이 도핑된 광섬유모재의 코아층을 균일하게 형성하여, 불순물 성분 도핑에 의해 나타나는 광섬유의 특성을 안정화 및 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형 실시하는 것이 가능하다.
예컨대, 본 발명에 따른 부분함몰법에 의해 다양한 반도체 미립자 성분을 도핑하여, 광스위치용 광섬유등의 비선형특성을 갖는 다양한 기능을 갖는 광섬유소자를 생성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 석영유리관의 양단을 부분 함몰시킨 후, 불순물성분이 함유된 물질, 예컨대 반도체 미립자를 도핑시킴으로써, 별도의 장치 필요없이 종래 광섬유모재 제조장치를 이용하여 안정적인 불순물성분 도핑공정을 수행할 수 있게 됨은 물론, 이에 따라 안정적인 특성을 갖는 비선형 광섬유를 생성할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 석영유리관내에 클래딩층 및 코어층을 형성하고, 코어층을 부분소결하여 이 부분소결된 부분에 불순물성분을 도핑시켜 소정 기능을 갖는 광섬유모재를 생성하는 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 생성방법에 있어서,
    상기 클래딩층 및 부분 소결된 코어층이 형성된 석영유리관의 양 끝단을 부분 함몰시킨 후 상기 불순물 성분을 도핑시키도록 된 것을 특징으로 하는 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 생성방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 석영유리관으로 수 nano크기의 반도체 미립자성분이 함유된 물질을 제공하는 것을 특징으로 하는 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 생성방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 반도체 미립자성분은 PbTe, PbS, SnTe, CuCl, CdSe 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수정된 화학기상증착법에 의한 광섬유모재 생성방법.
  4. 석영유리관내에 클래딩층 및 코어층을 형성하고, 코어층을 부분소결한 후 석영유리관의 양 끝단을 부분 함몰시키고, 부분 함몰된 석영유리관으로 소정 불순물 성분을 도핑하여 생성된 비선형광섬유.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 불순물성분은 반도체 미립자성분인 것을 특징으로 하는 비선형광섬유.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 반도체 미립자성분은 PbTe, PbS, SnTe, CuCl, CdSe 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형광섬유.
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