KR20020075292A - 타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법 및 타원형 코어광섬유 제조에 사용되는 가공 프리폼 - Google Patents

타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법 및 타원형 코어광섬유 제조에 사용되는 가공 프리폼 Download PDF

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Abstract

타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법이 개시되었다. 이 방법에서는, 원형 클래드의 중심에 배치된 원형 코어를 갖는 최초 프리폼이, 가공 프리폼을 만들기 위해 그 외주면을 평평하게 하도록 가공되고 그 후 타원형 코어 광섬유를 가열하면서 드로잉한다.
본 발명에 의하면, 소정의 특정 치수를 가진 타원형 코어 광섬유를 제조하기 위해 사용된 가공 프리폼의 형상은, 타원형 코어 광섬유의 치수에 근거하여 미리 얻어진 상관관계를 사용해서 설계될 수 있다. 이와 같이 설계된 가공 프리폼은 가열하면서 드로잉되고, 소정의 특정 치수를 가진 타원형 코어 광섬유가 용이하면서도 신뢰성있게 제조될 수 있다.

Description

타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법 및 타원형 코어 광섬유 제조에 사용되는 가공 프리폼{METHOD OF PRODUCING AN ELLIPTIC CORE OPTICAL FIBER, AND A PROCESSED PREFORM USED FOR PRODUCING ELLIPTIC CORE OPTICAL FIBER}
본 발명은 소정의 치수를 가지는 타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법 및 이 방법에 사용되는 최초 프리폼(original preform)에 관한 것이다.
타원형 코어 광섬유는 편파 보존(polarization maintaining) 광섬유로 알려져 있다.
통상의 단일-모드 광섬유는 미미한 장애요소(예컨대, 온도, 압력, 진동, 등)에 의해 영향받고, 모드 변환 및 편파 상태에서 방해받기 쉬워서, 위상 정보와 편파 상태를 가진 빛이 안정적으로 전파되는 것을 허용하지 않는 경향이 있기때문에, 타원형 코어 광섬유가 개발되었다.
이상적인 단일-모드 광섬유에서 고유 교차 편파 모드사이의 전파 상수차(△β=βx－βy)는 0 이지만, 실제적인 광섬유의 전파 상수차는 코어가 완전한 원형이 아니며 불균일하게 변형되기 때문에 0이 아니다.
자연적인 복굴절 현상때문에, 모드 변환이 x 방향의 편파 모드와 y 방향의 편파 모드 사이에서 일어나기 쉬운 경향이 있어서, 광섬유에서 약간 다른 속도로 전파하는 문제점이 있다.
따라서, 미미한 장애요소에 의해 편파 상태가 방해되는 것을 방지함으로써, 단일-모드 광섬유의 특성을 개선시키기 위하여, 두개의 교차 편파 모드사이의 전파 상수차(△β)는 모드 변환이 일어나기 쉽지 않도록 더 커지게 된다. 이것이 편파 보존 광섬유이다.
이러한 편파 보존 광섬유로서 사용되는 타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법으로는, 가공 프리폼(processed preform)을 제조하기 위하여 원형 단면 클래드의 중심에 배치된 단면 원형 코어를 가지는 최초 프리폼의 외주면을 상기 최초 프리폼의 중심선으로부터 동일 거리에 있는 평행한 현(弦)을 따라 연삭하는 단계 및 상기 가공 프리폼을 가열하면서 드로잉(drawing)하는 단계를 포함하는 방법이 알려져 있다.(JP,6-235838 참조)
상기 방법에 있어서, 만약 최초 프리폼을 그 중심선으로부터 동일 거리에 있는 평행 현을 따라 연삭한 후 가열하면서 드로잉하면, 광섬유가 용융된 프리폼의 선단으로부터 스피닝(spinnig)될 수 있다.
이 경우의 용융부에 있어서, 클래드중에서 평행하게 연삭된 부분은 광섬유의표면상에 작용하는 표면장력에 기인하여 비교적으로 원형 아크부까지 팽창되어, 광섬유를 전체적으로 단면 원형으로 만든다. 결과적으로, 원형 코어는 타원형으로 변형되어, 타원형 코어 광섬유를 얻을 수 있다.
편파 보존 광섬유는 타원형 코어의 최종 형상(form)에서 명확한 소정치를 가질 것을 요하지 않으며, 보다 극단적으로 말하면, 코어가 원형이 아닌 타원형으로 형성되는 것만이 요구될 뿐이다.
편파 보존 광섬유는 고유 교차 편파 모드사이의 전파 상수차가 더 커질 것을 요하기때문에, 광섬유의 제조에 있어서 타원형 코어의 장축에 대한 단축의 비를 어떤 특정값으로 유지할 필요가 없다. 타원형 코어의 형상이 일정한 광섬유는 일정한 치수로 제작된 최초 프리폼을 사용하여, 일정한 조건하에서 연삭한 결과로서 제조가능할 것이 단지 요구된다.
최근에는 반도체 레이저와 광섬유 사이의 접속손실을 줄이기 위하여, 등급 지수 타원형 코어 광섬유를 필드 분포 변환 광섬유로서 사용하는 것이 제안된다.
필드 분포 변환 광섬유는 반도체 레이저에서와 같이 종 방향과 교차 방향사이에서 퍼져나가는 각이 상이한 빔을 원형 코어를 가지는 광섬유내로 도입하기 위하여, 단면 타원형 스폿 빔을 단면 원형 스폿 빔으로 변환하는데 사용되며, 광섬유에서 타원형 코어의 치수는 사용되는 반도체 레이저 스폿 빔의 종횡비에 적합하도록 정밀하게 제어되어야만 한다.
그러나, 상술한 종래의 방법에 따라, 최초 프리폼을 그 중심선으로부터 동일거리에 있는 평형 현을 따라 연삭한 후 가열하면서 드로잉한다 할지라도, 타원형 코어는 소정의 치수를 가지도록 제어될 수 없다.
따라서, 종래의 방법에서는 상이한 조건하에서 제조된 다양한 치수의 타원형 코어 광섬유로부터 소정의 특정 타원형 코어 치수를 가지는 타원형 코어 광섬유를 선택하는 것이외에는 다른 방법이 없었고, 반도체 레이저의 특성에 적합한 치수를 가지는 타원형 코어 광섬유가 존재하지 않으면, 소정의 치수에 근접한 치수를 가지는 것이 사용되어야만 했는데, 이 경우에는 빛 손실이 충분하게 감소될 수 없었다.
또한, 종래의 방법에서는 소정의 치수를 가지는 타원형 코어 광섬유를 제조하는 것이 시도될지라도, 가공 프리폼의 형상이 특정되어질 수 없었다. 소정의 치수를 가지는 타원형 코어 광섬유를 얻는데 필요한 가공 프리폼의 형상을 특정하기 위하여는, 각각의 치수를 측정하기 위한 다양한 형태의 프리폼이 제조되어 타원형 코어 광섬유를 제조하는데 실험적으로 사용되어야만 하는데, 이러한 시행착오는 불리하게도 매우 낭비적이다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하여 소정의 치수를 가지는 타원형 코어 광섬유가 용이하면서도 신뢰할 수 있게 제조될 수 있는 것을 보증하는 것이다.
발명의 요약
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법을 제안하는데, 이 방법에서는, 원형 클래드의 중심에 배치된 원형 코어를 갖는 최초 프리폼이, 가공 프리폼을 형성하기 위해 그 외주면을 평평하게 하도록 가공되고, 그 후 가열하면서 드로잉하여 타원형 코어 광섬유가 제조되고; 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 소정의 종횡비를 얻기 위한 가공 프리폼의 종횡비가 가공 프리폼의 종횡비 및 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계로부터 얻어지고, 상기 상관관계는 가공 프리폼의 물질 및 가열하면서 드로잉하는 조건에 대하여 얻어지고; 타원형 코어 광섬유의 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 얻기 위한 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율이 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 종횡비 사이의 상관관계로부터 얻어지고, 상기 상관관계는 파라미터로서 코어반경/클래드반경 비율과 함께 얻어지고; 상기 종횡비를 갖는 가공 프리폼을 형성하기 위해, 얻어진 코어반경/클래드반경 비율을 갖는 최초 프리폼이 가공되는 것을 특징으로 한다.
상기 설명과 같이, 가공 프리폼을 얻기 위해, 원형 클래드의 중심에 배치된 원형 코어를 갖는 최초 프리폼의 외주면을 가공하는 단계 및 프리폼을 가열하면서 드로잉하는 단계를 포함하는 방법에 의하면, 용융된 가공 프리폼의 끝에서부터 광섬유를 스핀하기 위해, 용융된 평평한 부분이 용융된 광섬유의 표면에 작용하는 표면장력으로 인해 원형 아크 부분에 대해 상대적으로 팽창하게 되고, 클래드를 그 단면적이 전체적으로 원형이 되게 만들고, 따라서, 원형 코어가 타원형으로 변형되어 타원형 코어 광섬유를 제공하게 된다. 따라서, 생산된 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비는 가공 프리폼의 종횡비에 의존하여 변한다. 즉, 이들 사이에 특정 상관관계가 존재한다.
한편으로, 특정 코어반경/(코어+클래드)반경 비율을 갖는 임의의 최초 프리폼이 가공 프리폼을 얻기 위해 가공된다면, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율이 종횡비에 관계하며 변화하고, 즉 이들 사이에 특정 상관관계가 존재한다. 더욱이, 스피닝 이전의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율은 기본적으로 스피닝 이후에도 계속 유지된다고 고려된다.
따라서, 타원형 코어 광섬유의 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 얻기 위한 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율은, 파라미터로서 코어반경/클래드반경 비율과 함께 얻어지는, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 종횡비 사이의 상관관계로부터 얻어질 수 있다.
따라서, 소정의 종횡비를 갖는 타원형 코어를 가지고 또한 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 가지는 타원형 코어 광섬유의 경우, 우선, 타원형 코어의 소정의 종횡비를 얻기 위한 가공 프리폼의 종횡비가, 가공 프리폼의 종횡비 및 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계로부터 구해질 수 있고, 그 후, 타원형 코어 광섬유의 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율과 동일한 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 갖는, 가공 프리폼으로 가공될, 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율이, 파라미터로서 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율과 함께 얻어지는, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 종횡비 사이의 상관관계로부터 얻어질 수 있다. 따라서, 소정의 종횡비를 갖는 타원형 코어를 가지고 또한 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 가지는 타원형 코어 광섬유를 제조하기 위한 최초 프리폼이 특정될 수 있다. 더욱이, 상기 최초 프리폼으로부터 얻어진 가공 프리폼의 치수도 특정될 수 있다.
위에서 언급한 상관관계들, 즉, 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비및 가공 프리폼의 종횡비 사이의 상관관계, 및 파라미터로서 최초 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율과 함께 얻어지는, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 종횡비 사이의 상관관계는, 만약 가열과 함께 가공 프리폼을 드로잉하는 조건 및 광섬유의 물질이 동일하게 유지된다면, 비록 드로잉 조건 및 물질이 다를 경우 이들 상관관계가 달라지더라도, 동일하게 유지된다.
따라서, 본 발명은 상기 방법을 실현하는 특별한 방법을 제시하는데, 가공 프리폼의 종횡비와 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계, 및 파라미터로서 코어반경/클래드반경 비율과 함께 얻어진, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율과 종횡비 사이의 상관관계가, 광섬유의 물질 및 가열하면서 가공 프리폼을 드로잉하는 조건에 대하여 얻어지고, 미리 저장되며; 상기 저장된 상관관계는, 타원형 코어의 소정의 종횡비를 얻기 위한 가공 프리폼의 종횡비를 얻기 위해, 그리고 타원형 코어 광섬유의 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 얻기 위한 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율을 얻기 위해 사용된다.
본 발명은 또한 상기 방법을 제시하는데, 각각의 상관관계가 적절한 값의 유도수단, 예를들면, 컴퓨터의 저장장치에 함수식 또는 표로서 저장된다.
본 발명은 또한 상기 방법을 제시하는데, 가공 프리폼을 가열하면서 드로잉하는 조건은 가열온도에 있어서 2000 내지 2300℃ 이고, 드로잉속도에 있어서 10 내지 100m/min 이다.
본 발명은 또한 상기 방법을 제시하는데, 가공 프리폼의 종횡비 및 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계가 다음의 식,
r/x = (a/b)1/n
으로 표현되고, r/x는 가공 프리폼의 종횡비, r은 클래드반경, x는 평행하게 연삭된 부분의 반폭, a/b는 타원형 코어의 종횡비, a는 반-장축, b는 반-단축, 및 n은 1.6 내지 2.4의 범위에서 선택된 값이다.
본 발명은 또한 상기 방법을 제시하는데, 상기 가공 프리폼은, 최초 프리폼의 중심선으로부터 동일한 간격만큼 떨어져 있는 평행 현을 따라서 최초 프리폼의 클래드의 외주면을 연삭함으로써 얻어진다.
본 발명은 또한 상기 방법을 제시하는데, 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율은, 가공될 타원형 코어 광섬유의 클래드반경 및 타원형 코어의 반-장축과 반-단축과 관련하여 다음 식,
c/r = [ ab(π-2θ+ 2cosθsinθ)/(πf2) ]1/2
으로 표현되고, 타원형 코어 광섬유에 대해, f는 클래드반경, a는 반-장축, b는 반-단축이고, 최초 프리폼에 대해, c는 코어반경, r은 클래드반경, x는 평해하게 연삭된 부분의 반폭,θ= arc cos(x/r) 이다.
더욱이, 본 발명에서는, 양측의 현의 끝에 대응하는 모서리가 평평하게나 곡선이 되도록 연삭됨으로써, 가공 프리폼이 얻어질 수 있다.
본 발명의 상기 방벙에서, 최초 프리폼의 클래드의 외주면을 타원형 형상으로 연삭함으로써, 또한 가공 프리폼이 얻어질 수 있다.
본 발명은 또한 타원형 코어 광섬유를 제조하는데 사용되는 가공 프리폼을제시하는데, 가공 프리폼을 형성하기 위해, 원형 코어의 중심에 배치된 원형 코어를 갖는 최초 프리폼의 외주면을 평평하게 하도록 가공하는 단계 및 프리폼을 가열하면서 드로잉하는 단계를 포함하는 타원형 코어 광섬유 제조방법에 사용되고, 가공 프리폼의 종횡비는 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비의 상관관계로부터 얻어지고, 가공 프리폼으로 가공될 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율은, 파라미터로서 코어반경/클래드반경과 함께 얻어지는, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 종횡비 사이의 상관관계로부터 얻어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기 가공 프리폼을 제시한는데, 가공 프리폼의 종횡비 및 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계가 다음의 식,
r/x = (a/b)1/n
으로 표현되고, r/x는 가공 프리폼의 종횡비, r은 클래드반경, x는 평행하게 연삭된 부분의 반폭, a/b는 타원형 코어의 종횡비, a는 반-장축, b는 반-단축, 및 n은 1.6 내지 2.4의 범위에서 선택된 값인 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유 제조에 사용된다.
본 발명의 다수의 목적 및 장점은 첨부된 도면을 참고함으로써 당업자가 훨씬 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도1은 가공 프리폼, 즉 본 발명의 제조방법에 사용되는 가공 프리폼의 예를 개념적으로 나타내는 단면도.
도2는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 타원형 코어 광섬유의 예를 개념적으로 나타내는 단면도.
도3은 본 발명의 제조방법에 사용되는 수치적으로 다양한 가공 프리폼, 및 이들 가공 프리폼으로부터 제조된 타원형 코어 광섬유를 예시로서 나타내는 표.
도4는 도3에 도시된 제조 실시예에 근거하여 얻어진 타원형 코어 광섬유의 종횡비 및 가공 프리폼의 종횡비 간의 상관관계를 나타내는 그래프.
도5는 △1.5% GI 타원형 코어 광섬유에 대해, 종횡비의 역수 및 각 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 사이의 상관관계를, 파라미터로서 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율로서 나타낸 그래프.
도6은 △2.0% GI 타원형 코어 광섬유에 대해, 종횡비의 역수 및 각 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 사이의 상관관계를, 파라미터로서 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율로서 나타낸 그래프.
도7은 광섬유를 얻기 위해 특정된, 타원형 코어 광섬유의 의도된 치수 파라미터 및 가공 프리폼의 치수 파라미터를 나타내는 표.
도8은 제조된 △1.5% 타원형 코어 광섬유의 치수 파라미터를 나타내는 표.
도9는 본 발명의 제조방법에 사용되는 가공 프리폼의 또다른 예를 개념적으로 나타내는 단면도.
도10은 본 발명의 제조방법에 사용되는 가공 프리폼의 또다른 예를 개념적으로 나타내는 단면도.
본 발명을 실시하기 모드 및 기초가 도면을 참조하여 아래에서 기술되어진다.
도1은 본 발명에서 사용되는 가공 프리폼을 개념적으로 도시한 단면도이고,도2는 가공 프리폼을 가열하면서 드로잉하여 제조된 타원형 코어 광섬유를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도1에 도시된 가공 프리폼(1)은 도면에서 일점 쇄선으로 표시된 최초 프리폼의 원형 클래드(2)의 중심에 배치된 등급 지수 원형 코어(3)를 구비하고, 그 외주면은 최초 프리폼의 중심선(CL)으로부터 x 만큼의 동일 거리에 있는 평행 현(4)을 따라 연삭된다. 부호(r)는 최초 프리폼 또는 가공 프리폼의 클래드 반경을 나타내고; 부호(c)는 코어 반경; 부호(x)는 평형하게 연삭된 부분의 반(½) 너비(평형선사이의 거리의 절반)를 나타낸다.
이와 같이 형성된 가공 프리폼(1)은 용융 가공 프리폼의 선단으로부터 광섬유를 스피닝하기 위하여 가열하면서 드로잉되고, 연삭표면은 용융부내의 클래드 표면상에 작용하는 표면장력에 기인하여 원형 아크부까지 비교적 팽창되어, 클래드(6)를 전체적으로 단면 원형으로 만든다. 따라서, 가공 프리폼(1)에서의 원형 코어(3)는 타원형으로 변형되어, 클래드(6)의 중심에서 타원형 코어(7)를 형성한다.
부호(f)는 이 상태에서의 타원형 코어 광섬유(5)의 클래드(6) 반경을 나타내고; 부호(a)는 타원형 코어(7)의 반-장축(半-長軸); 부호(b)는 반-단축(半-短軸)을 나타낸다.
도3은 다양한 치수의 가공 프리폼(1)을 드로잉하여 실험적으로 제조한 타원형 코어 광섬유 각각의 값을 도시한다. 도4는 제조된 타원형 코어 광섬유의 측정값을, 가로축으로 선택된 가공 프리폼(1) 각각의 종횡비(예컨대, 평형 단면 반-너비(x)에 대한 클래드 반경(r)의 비율:(r/x))와 세로축으로 선택된 타원형 코어(7) 각각의 종횡비(예컨대, 반-단축(b)에 대한 반-장축(a)의 비율:(a/b))사이의 관계로서 도시하고 있다.
상기 실험적인 제조에 있어서, 가공 프리폼(1)을 가열하면서 드로잉하는 조건은 가열온도에 있어서 2000 내지 2300℃이고, 드로잉속도에 있어서 10 내지 100m/min이다.
결과로부터, 타원형 코어(7)(a/b)의 종횡비와 가공 프리폼(1)의 종횡비(r/x)사이의 상관관계가 다음 식으로 표시될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
(a / b) = (r / x )n
도4에 도시된 바와 같이, 실험 제조의 결과로부터, n이 1.6 내지 2.4의 범위내의 어떠한 값일 수 있다는 것이 밝혀졌다. 값(n)은 광섬유 재료 및 가열하면서 드로잉하는 조건에 따라 상이하고, n은 동일한 드로잉 조건하의 동일한 재료에 대해서는 상수인 것으로 간주될 수 있다.
실험적 제조에 대한 상기 조건으로 부터, 소정의 종횡비를 가지는 타원형 코어를 구비하는 타원형 코어 광섬유가 제조될 경우에 있어서, 가공 프리폼(1)의 종횡비는 다음의 상관관계로부터 구하여질 수 있다.
r / x = (a / b)1/n........ (1)
여기서, n은 상술한 바와 같이 1.6 내지 2.4 범위내의 값이고, 그 값은 광섬유 재료 및 가열하면서 드로잉하는 조건과 관련하여 선택된다.
도5 및 도6은 가공 프리폼의 코어 면적/(코어 + 클래드) 면적 비율과 종횡비사이의 상관관계를, 코어 반경/클래드 반경 비율을 변수로 하여 125㎛ 직경을 가지는 타원형 코어 광섬유(5)의 제조에 있어서 가공 프리폼 각각의 종횡비의 역수(x/r)를 가로축으로 선택하고 코어 면적/(코어 + 클래드) 면적 비율을 세로축으로 선택하여 도시하고 있다. 이러한 상관관계는 이하에서 기술되는 바와 같은 계산법에 의해 이론적으로 구해질 수 있다. 도5 및 도6 각각은 △1.5%와 △2.0%의 등급 지수(GI) 타원형 코어 광섬유의 결과를 도시한다.
도5 및 도6에서 도시된 바와 같이, 최초 프리폼을 어떠한 코어반경/클래드반경 비율로 가공하여 가공 프리폼(1)을 얻는 경우에 있어서, 코어면적/(코어+클래드)면적 비율은 종횡비와 관련하여 변화하거나 또는 이들 사이에는 특정한 상관관계가 존재한다는 것을 알 수 있다. 한편, 앞에서 기술한 바와 같이, 상기 스피닝전의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율은 도5 및 도6에 도시된 바와 같이 기본적으로 스프닝후에도 변함없는 것으로 간주될 수 있기 때문에, 타원형 코어 광섬유에서 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 얻는데 필요한 가공 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율은 코어반경/클래드반경 비율을 변수로 하여 가공 프리폼(1)의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율과 종횡비 사이의 상관관계로부터 구할 수 있다.
상기 관계는 아래의 공식에 의해 설명된다.
도1에서, 가공 프리폼(1)의 하나의 현(4)에 수직인 반경과 현(4)의 끝점을 통과하는 반경 사이에 생기는 각을θ라 하면, 가공 프리폼(1)의 단면적(Sp), 코어의 단면적(Sc), 타원형 코어 광섬유(5)의 단면적(Sf)가 얻어지고, 타원형 코어의 단면적(Sc)는 각각 다음과 같이 표현된다:
Sp = r2(π-2θ+ 2cosθsinθ) ........ (3)
Sc = πc2........ (4)
Sf = πf2........ (5)
Sab = πab ........ (6)
한편, 앞에서 설명한 바와 같이, 스피닝 이전의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율이 스피닝 후에도 계속 유지되고 있다면, 다음 공식이 성립된다.
Sc/Sp = Sab/Sf ......... (2)
상기 공식(2) 내지 (6)으로부터, 가공 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율(c/r)은 다음과 같이 표현된다.
c/r = [ ab(π-2θ+ 2cosθsinθ)/(πf2) ]1/2..... (7)
(여기서θ= arc cos(x/r))
상술하였듯이, 소정의 종횡비를 갖는 타원형 코어를 가지고 또한 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 가지는 타원형 코어 광섬유의 경우, 우선, 타원형 코어(7)의 소정의 종횡비를 얻기 위한 가공 프리폼(1)의 종횡비가, 도4에 도시된 바와 같이, 가공 프리폼의 종횡비(r/x) 및 타원형 코어 광섬유(5)의 타원형 코어(7)의 종횡비(a/b) 사이의 상관관계로부터 얻어진 식(1)로부터 구해질 수 있다.그후, 타원형 코어 광섬유(5)의 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율과 동일한 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 상기 종횡비를 갖는, 가공 프리폼(1)으로 가공될, 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율이, 도5, 6 또는 식(7)에 도시되었듯이, 종횡비 및 가공 프리폼(1)의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율의 상관관계로부터 얻어질 수 있다. 이런 방법으로, 소정의 종횡비를 갖는 타원형 코어(7)를 가지고 또한 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 가지는 타원형 코어 광섬유(5)를 제조하기 위한 최초 프리폼이 특정될 수 있고, 더욱이, 상기 최초 프리폼으로부터 얻어진 가공 프리폼(1)의 치수도 특정될 수 있다.
상기 설명에서는, 상기 스피닝 이전의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율이 상기 스피닝 이후에도 계속 유지된다고 가정하였다. 그러나, 코어면적/(코어+클래드)면적 비율이 임의의 제조 조건에 따라 변하게 될 경우, 상기 조건하에서의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율이 가공 프리폼의 치수에서 특별히 고려될 수도 있다.
위에서 설명한 가공 프리폼(1)의 치수를 특정하는 절차의 일예가 아래에 설명된다.
도7은 타원형 코어 광섬유를 제조하기 위해 특정된 가공 프리폼(1)의 치수 파라미터 및 타원형 코어 광섬유(5)의 의도된 치수 파라미터를 나타낸다. 이 예시적인 절차에서, 표에 나타나있듯, 각 타원형 코어 광섬유(5)에 대해, 식(2)의 우변에서 얻어진 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 코어면적/(코어+클래드)면적 비율/0.9 의 값이 얻어진다. 전자(前者)인 코어면적/(코어+클래드)면적 비율은, 스피닝 이전의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율이 상기 스피닝 이후에도 변하지 않는 경우에 대응하고, 후자(後者)인 코어면적/(코어+클래드)면적 비율은, 스피닝 이전의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율이 상기 스피닝 이후의 그것에 비해 10% 감소한 경우에 대응한다. 더욱이, 가공 프리폼(1)에 대해, 종횡비의 역수가 상기 식(1)의 역수로서 구해진다. 이 경우 상기 값(n)이 선택되어 2.0에 설정된다.
처음에, 의도된 치수 파라미터 중에서 △1.5% 또는 △2.0% 의 타원형 코어 광섬유에 대해, 가공 프리폼(1)의 종횡비의 역수(x/r=0.537)가 타원형 코어(5)의 종횡비(a/b=3.47)에 대한 식(1)의 역수로부터 얻어진다. 그후, 도5 및 도6에서, 종횡비(x/r=0.537)의 역수에 대응하는 수직선과 상기 코어면적/(코어+클래드)면적 비율의 수평선과의 교차점에서의 코어반경/클래드반경 및 상기 코어면적/(코어+클래드)면적 비율/0.9 의 범위에서, 최초 프리폼이 선택된다. 즉 △1.5% 타원형 코어 광섬유의 경우, 코어면적/(코어+클래드)면적 비율=16/125인 최초 프리폼이 도5로부터 선택되고, 이것이, 유도된 종횡비 즉 r/x=(x/r)-1=1.86을 가지도록 연삭된다. △2.0% 타원형 코어 광섬유의 경우, 코어면적/(코어+클래드)면적 비율=19/125인 최초 프리폼이 도6으로부터 선택되고, 이것이, 가공 프리폼을 형성하기 위해, 유도된 종횡비를 가지도록 연삭된다.
위에서 설명한 예시적인 절차에서, 가공 프리폼을 형성하기 위한 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율이, 점차 변화하는 예비된 비율 중에서 선택되었다.
그러나 아래에 설명할 예시에서는, 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율이 식(7)로부터 직접 얻어진다.
또다른 예로서, 클래드반경 f=62.5㎛인 타원형 코어 광섬유의 제조에 있어서, 타원형 코어의 반-장축 a=19.8㎛, 반-단축 b=5.4㎛, 종횡비 a/b=3.67, 값(n)은 선택되어 2.15로 설정되고, 이것은 상기 식(1)에서 동일한 드로잉 조건하에서 동일한 물질에 대한 값이다.
클래드반경(r)에 평행하게 연삭된 부분의 반(半) 폭(x)의 비율(x/r), 즉 가공 프리폼의 종횡비의 역수는 다음과 같이 식(1)로부터 얻어진다.
x/r = 0.5464
코어반경/클래드반경 비율은 다음과 같이 식(7)로부터 얻어진다.
c/r = 0.1343
이들 값으로부터, r=11.47㎜인 클래드반경을 갖는 가공 프리폼(1)의 경우, 사용된 가공 프리폼이 평행하게 연삭된 부분에서 x=6.27㎜의 반폭 및 c=1.54㎜의 코어반경을 가지는 것이 요구된다.
f=62.5㎛의 클래드반경을 갖기 위해 가공 프리폼(1)이 상기 설명된 방법에 따라 스핀되었을 때, 얻어진 타원형 코어 광섬유는 도8에 도시되었듯 타원형 코어의 반-장축이 19.7㎛이고, 반-단축이 b, 그리고 종횡비 a/b가 3.65이다.
즉, 도8은 위에서 설명한 것과 같이 특정된 가공 프리폼으로부터 실험적으로 제조된 △1.5% 타원형 코어 광섬유의 결과를 나타낸다. 실험적 제조의 결과로부터 알 수 있듯, 타원형 코어(5)의 종횡비(a/b=3.65)는 의도된 종횡비(a/b=3.67)에 비해 단지 대략 0.5%의 오차만을 가지고, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율(=0.02736)은 타원형 코어 광섬유의 비율(=0.02735)와 거의 동일하였다.
상기와 같이, 얻어진 타원형 코어 광섬유의 치수들은 의도된 치수들과 거의 같고, 설계된 대로의 타원형 코어 광섬유가 얻어질 수 있음이 확인되었다.
상기의 가공 프리폼은, 최초 프리폼의 중심선으로부터 동일 간격만큼 떨어진 평행 현(4)을 따라서 원형의 최초 프리폼의 원형 클래드(2)의 외주면을 연삭함으로써 얻어진다. 또한 가공 프리폼(1)은 도9 및 도10에 도시된 것처럼 형성된다.
도9에 도시된 가공 프리폼은, 도1에 도시된 것과 같은 최초 프리폼의 중심선으로부터 동일 간격만큼 떨어진 팽행 현(4)을 따라서 원형 프리폼의 원형 클래드(2)의 외주면을 연삭함으로써, 그리고 평평한 면(8)을 갖기 위해 양측의 현(4)의 끝부분에 대응하는 모서리를 깎음으로써 얻어진다. 다른 실시예에서, 모서리를 깎음으로써 얻어진 평평한 면(8)은 또한 원통형 면과 같이 곡면이 될 수도 있다.
도10에 도시된 가공 프리폼은 타원형 형상에서 원형 프리폼의 클래드의 외주면의 모서리를 깎음으로써 얻어진다.
상술한 가공 프리폼의 타입에 상관없이, 각 타입에 대해, 가공 프리폼의 종횡비와 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계, 및 가공 프리폼의 종횡비와 코어반경/클래드반경 비율을 갖는 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 사이의 상관관계가, 파라미터로서, 가공 프리폼을 드로잉하는데 사용되는 조건 하에서 관련된 광섬유 물질을 이용하여 수많은 제조 테스트의 결과로부터 저장될 수 있다. 그러면, 타원형 코어의 소정의 종횡비를 얻기 위한 가공 프리폼의 종횡비, 및 타원형 코어 광섬유의 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을얻기 위한 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경이, 저장된 각각의 상관관계로부터 얻어질 수 있다.
이 경우, 각각의 상관관계는 함수식 또는 표로서 저장될 수 있다.
본 발명의 제조방법이 적용될 수 있는 상술된 타원형 코어 광섬유는, 반도체 레이저의 평면 레이저 빔을 상술한 것과 같이 원형 코어를 갖는 단일-모드 광섬유로 도입하기 위해, 필드 분포 변환 광섬유로서 사용될 수 있다. 그러나, 또한 다른 응용을 위해 타원형 코어를 갖는 타원형 코어 광섬유로서 사용될 수도 있다.
상기와 같이 본 발명은, 가공 프리폼을 얻기 위해, 원형 클래드의 중심에 배치된 원형 코어를 갖는 최초 프리폼의 외주면을 가공하는 단계 및 이것을 가열하면서 드로잉하는 단계를 포함하는, 타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법에 따라, 소정의 특정 치수를 갖는 타원형 코어 광섬유를 제조하는데 사용되는 가공 프리폼의 형상이, 타원형 코어 광섬유의 치수에 근거하여 미리 얻어진 상관관계를 사용하여 설계될 수 있다. 이와 같이 설계된 가공 프리폼이 가열과 함께 드로잉된다면, 소정의 특정 치수를 갖는 타원형 광섬유가 용이하면서도 신뢰성있게 제조될 수 있다.

Claims (12)

  1. 원형 클래드의 중심에 배치된 원형 코어를 갖는 최초 프리폼이, 가공 프리폼을 형성하기 위해 그 외주면을 평평하게 하도록 가공되고, 그리고 이 가공 프리폼을 그 후 가열하면서 드로잉하여 타원형 코어 광섬유를 제조하는 방법에 있어서,
    타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 소정의 종횡비를 얻기 위한 가공 프리폼의 종횡비가 가공 프리폼의 종횡비 및 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계로부터 얻어지고, 상기 상관관계는 가공 프리폼의 물질 및 가열하면서 드로잉하는 조건에 대하여 얻어지고;
    타원형 코어 광섬유의 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 얻기 위한 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율이 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 종횡비 사이의 상관관계로부터 얻어지고, 상기 상관관계는 파라미터로서 코어반경/클래드반경 비율과 함께 얻어지고;
    상기 종횡비를 갖는 가공 프리폼을 형성하기 위해, 얻어진 코어반경/클래드반경 비율을 갖는 최초 프리폼이 가공되는 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 가공 프리폼의 종횡비와 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계, 및 파라미터로서 코어반경/클래드반경 비율과 함께 얻어진, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율과 종횡비 사이의 상관관계가, 광섬유의 물질 및 가열하면서 가공 프리폼을 드로잉하는 조건에 대하여 얻어지고, 미리 저장되며;
    상기 저장된 상관관계는, 타원형 코어의 소정의 종횡비를 얻기 위한 가공 프리폼의 종횡비를 얻기 위해, 그리고 타원형 코어 광섬유의 소정의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율을 얻기 위한 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율을 얻기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 각각의 상관관계가 함수식으로 저장되는 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 각각의 상관관계가 표로서 저장되는 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 가공 프리폼을 가열하면서 드로잉하는 조건은 가열온도에 있어서 2000 내지 2300℃ 이고, 드로잉속도에 있어서 10 내지 100m/min 인 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 가공 프리폼의 종횡비 및 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계가 다음의 식,
    r/x = (a/b)1/n
    으로 표현되고, r/x는 가공 프리폼의 종횡비, r은 클래드반경, x는 평행하게 연삭된 부분의 반폭, a/b는 타원형 코어의 종횡비, a는 반-장축, b는 반-단축, 및 n은 1.6 내지 2.4의 범위에서 선택된 값인 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공 프리폼은, 최초 프리폼의 중심선으로부터 동일한 간격만큼 떨어져 있는 평행 현을 따라서 최초 프리폼의 클래드의 외주면을 연삭함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율은, 가공될 타원형 코어 광섬유의 클래드반경 및 타원형 코어의 반-장축과 반-단축과 관련하여 다음 식,
    c/r = [ ab(π-2θ+ 2cosθsinθ)/(πf2) ]1/2
    으로 표현되고,
    타원형 코어 광섬유에 대해, f는 클래드반경, a는 반-장축, b는 반-단축이고, 최초 프리폼에 대해, c는 코어반경, r은 클래드반경, x는 평행하게 연삭된 부분의 반폭,θ= arc cos(x/r) 인 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한항에 있어서, 상기 가공 프리폼이, 최초 프리폼의 중심선으로부터 동일한 간격만큼 떨어진 평행 현을 따라서 최초 프리폼의 클래드의 외주면을 연삭함으로써 얻어지고, 양측 현의 끝의 모서리가 평평하거나 또는 곡면으로 연삭되는 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한항에 있어서, 상기 가공 프리폼이, 타원형 형상에서 최초 프리폼의 클래드의 외주면을 연삭함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유의 제조방법.
  11. 평평하게 하여 가공 프리폼을 형성하기 위해, 원형 클래드의 중심에 배치된 원형 코어를 갖는 최초 프리폼의 외주면을 가공하는 단계 및 프리폼을 가열하면서 드로잉하는 단계를 포함하는 타원형 코어 광섬유 제조에 사용되는 가공 프리폼에 있어서,
    가공 프리폼의 종횡비는 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비의 상관관계로부터 얻어지고, 가공 프리폼으로 가공될 최초 프리폼의 코어반경/클래드반경 비율은, 파라미터로서 코어반경/클래드반경과 함께 얻어지는, 가공 프리폼의 코어면적/(코어+클래드)면적 비율 및 종횡비 사이의 상관관계로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유 제조에 사용되는 가공 프리폼.
  12. 제 11 항에 있어서, 가공 프리폼의 종횡비 및 타원형 코어 광섬유의 타원형 코어의 종횡비 사이의 상관관계가 다음의 식,
    r/x = (a/b)1/n
    으로 표현되고, r/x는 가공 프리폼의 종횡비, r은 클래드반경, x는 평행하게 연삭된 부분의 반폭, a/b는 타원형 코어의 종횡비, a는 반-장축, b는 반-단축, 및 n은 1.6 내지 2.4의 범위에서 선택된 값인 것을 특징으로 하는 타원형 코어 광섬유 제조에 사용되는 가공 프리폼.
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