KR20030062474A - 인출된 광섬유의 저 편광모드분산을 위한 스핀 장치 - Google Patents

인출된 광섬유의 저 편광모드분산을 위한 스핀 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에는 저 편광모드분산을 위한 스핀 장치가 개시된다. 개시된 스핀 장치는 광섬유 인출 공정에서 인출된 광섬유의 편광모드분산을 최소화하기 위한 스핀 장치에 있어서, (a) 인출 타워의 최하단에 배치되는 베이스 플레이트; (b) 제1회전축을 중심으로 회전하여 인출된 광섬유를 캡스탄으로 이송시키고, 상기 제1회전축과 직각인 제2회전축을 중심으로 주기적으로 소정의 각도 내에서 회전하며, 인출된 광섬유와 외주면이 접촉한 상태로 인출된 광섬유의 텐션을 이용하여 주기적 꼬임을 인가하며, 상기 베이스 플레이트에 정렬된 상태로 장착되는 틸팅 스핀 휠; 및 (c) 상기 틸팅 스핀 휠의 제2회전축에 연결되어 구동 모터로 부터 동력을 전달받아 회전 속도를 감속시키는 감속부로 구성된다.

Description

인출된 광섬유의 저 편광모드분산을 위한 스핀 장치{SPIN DEVICE FOR LOW POLARIZATION MODE DISPERSION OF OPTICAL FIBER}
본 발명은 광섬유 인출 설비에 관한 것으로서, 특히 광섬유의 저 편광모드분산을 위한 스핀 장치에 관한 것이다.
통상적인 광섬유는 광섬유 모재 제조 공정과, 제조된 광섬유 모재로부터 머리카락 굵기보다 얇은 한 가닥의 광섬유로 뽑아내는 광섬유 인출 공정으로 이루어진다. 이러한 공정으로 이용하여 제작된 광섬유는 편광모드분산이라는 물리적인 특성을 지니게 된다.
인출된 광섬유의 "편광 모드 분산(PMD:Polarization Mode Dispersion)"은 광섬유를 통하여 전송되는 광의 펄스를 퍼지게 하여 전송 속도 에러율(bit-error rate)을 증가시키게 되므로써, 광섬유를 통한 데이터 전송 용량을 제한하는 주요한 요인 중의 하나이다. 이러한 편광 모드 분산은 광섬유의 물리적 성질과 광섬유를 통과하는 광의 편광 상태의 상호작용에 의해서 발생한다. 광전송에 사용되는 광은 전자기파의 일종으로, 두 개의 모드가 편광된 특성을 가지고 있다. 두 개 모드의 편광 축이 직교(90°위상차)하고, 진폭이 동일하다면, 두 개 평면 편광파의 전기장 벡터는 나선형 궤적을 그리며 이동하게 된다. 광섬유에는 두 개의 주축(principle axes)이 존재하게 되는데, 이상적인 경우는 두 축이 직교한다. 그러나, 광섬유 인출공정 등에서 발생하는 응력(stress)에 의해 주축의 방향이 결정된다. 이 때, 주축의 축방향이 직교하지 않는 경우, 편광된 빛의 굴절률 차이가 발생되고, 이를 "복굴절(birefringence)"이라 한다. 물질의 굴절률 차이가 발생하게 되면, 광섬유를 통하여 전송되는 빛의 속도가 축에 따라 달라짐과 동시에 이에 따른 빛의 상대적인 위상차가 변함을 의미한다. 광섬유의 복굴절 때문에 편광된 빛의 두 부분은 시간차를 두고 다른 속도로 이동하게 되고, 그 결과로서 도착된 빛은 퍼지게 된다.
상기 편광모드 분산은 광섬유 코아가 가지는 기하구조 특성과 광섬유에 잔류하는 잔여 응력(residual stress)에 기인하는 것으로 알려져 있다. 또한 외부적 요인으로는 광섬유 구브러짐, 꼬임, 열분포 등이 영향을 미치게 된다.
광섬유 인출 공정에서 발생하는 잔여 응력은 광섬유 코어(core) 및 클래딩 층의 물성차에 기인하는 열적 응력(thermal stress)과, 인출 장력(drawing tension)에 기인하는 기계적 응력(mechanical stress)으로 이루어진다. 이를 해결하기 위하여 열처리를 통하여 인출된 광섬유 잔여 응력을 줄이고, 굴절률을 변화시켜 광섬유 격자(grating) 소자를 제조하는 다양한 방법들이 잘 알려져 있다.
상기한 알려진 여러 방법 중, 일정한 주기로 광섬유 인출 중에 꼬아서 무작위적으로 배치되어 있는 편광에 방향성을 부여함으로써, 저속 모드와 고속 모드가 주기적으로 배치되게 하여 편광분산 모드를 제어하는 방법을 채택하고 있다. 이러한 방법을 통하여 국부적으로 편광에 의한 분산이 발생하지만, 일정한 길이에서 총 편광 분산은 최소가 될 수 있다.
편광 분산 모드를 최소화하기 위한 종래의 기술들은 광섬유를 꼬기(twist) 위하여 모재를 회전시키는 방법(WO8300232), 광섬유 인출 경로 상에 회전 또는 진동 장치를 이용하여 광섬유에 회전력을 부여하는 방법들(USP5298047,USP5418881,USP5704960,USP5943466,USP6148131), 또는 코팅 장치(coating applicator)를 회전시켜 광섬유 꼬임을 유발하는 방법(USP6189343)이 소개되어 있다.
그러나, 종래 기술은 광섬유 인출 공정에서 광섬유에 회전력을 인가하기 위하여 물리적 접촉을 이용하고 있다. 하지만, 광섬유에 발생한 꼬임을 통하여 편광분산 모드를 충분히 낮추기 위해서는 짧은 길이에 꼬임 수가 충분해야 한다. 꼬임을 증가시키기 위하여 충분한 회전이 발생해야 하는 데, 이 과정에서 광섬유 진동에 의한 광섬유 피복 특성이 악화되거나, 광섬유 단선이 유발될 가능성이 높다. 또한 접촉을 통한 회전력 부가는 광섬유 표면에 기계적 결함을 제공할 확률이 증가하게 되어 광섬유 강도를 약화시킬 수 있으며, 특히 고속으로 광섬유를 인출하는 경우에는 기계적 제어, 진동 발생 등의 어려움으로 제어가 어려워지는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 균일한 광섬유의 스핀을 구현할 수 있는 스핀 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 인출된 광섬유의 길이가 최대한으로 구현된 상태에서, 광섬유의 스핀 구현 시의 안정화를 추구할 수 있는 스핀 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 광섬유 인출 공정에서 인출된 광섬유의 편광모드분산을 최소화하기 위한 스핀 장치에 있어서,
(a) 인출 타워의 최하단에 배치되는 베이스 플레이트;
(b) 제1회전축을 중심으로 회전하여 인출된 광섬유를 캡스탄으로 이송시키고, 상기 제1회전축과 직각인 제2회전축을 중심으로 주기적으로 소정의 각도 내에서 회전하며, 인출된 광섬유와 외주면이 접촉한 상태로 인출된 광섬유의 텐션을 이용하여 주기적 꼬임을 인가하며, 상기 베이스 플레이트에 정렬된 상태로 장착되는 틸팅 스핀 휠; 및
(c) 상기 틸팅 스핀 휠의 제2회전축에 연결되어 구동 모터로 부터 동력을 전달받아 회전 속도를 감속시키는 감속부로 구성된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 스핀 장치가 적용된 인출 타워의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 스핀 장치가 인출 중인 광섬유에 적용된 상태를 나타내는 나타내는 정면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 스핀 장치의 구성을 나타내는 평면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 스핀 장치의 스핀 휠의 구성을 나타내는 평면도.
도 5a 내지 도 5c는 스핀 휠에 의해서 광섬유에 스핀이 가해지는 과정을 나타내는 예시도.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 스핀 장치가 채용된 광섬유 인출 설비들을 인출 타워(draw tower)에 장착된 상태를 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유 인출 공정은 스탠드형의 인출 타워에 인출 설비들이 공정 순으로 정렬된 상태로 장착된다. 준비된 하나의 광섬유 모재(1)는 용융로(10)에서 충분한 온도로 용융되어 한가닥의 광섬유(2)로 인출된다. 상기 인출된 광섬유(2)는 직경 제어기(12)에 의해 직경 크기가 제어되고, 냉각 장치(14)를 경유하면서 광섬유 피복 과정 전에 적합한 온도로 냉각된다. 냉각된 광섬유(3)는 피복 장치(16)를 거치면서 코팅이 된다. 이어서, 자외선 경화장치(18)를 지나면서 입혀진 피복 부분이 경화된다. 이어서, 피복된 광섬유(4)는 본 발명의 스핀 장치(20)를 통과하면서 스핀 즉, 광섬유 꼬임이 가해지고, 스핀이 가해진 광섬유는캡스탄(22)으로 향하게 된다. 상기 캡스탄(22)은 광섬유 모재(1)로부터 소정의 인장력을 제공하여 일정한 직경 크기를 갖는 광섬유를 인출할 수 있게 한다. 마지막으로, 인출된 광섬유는 캡스탄(22)을 통과하고, 미 도시된 가이드 롤러를 지나서 권취부(24)에 권선된다.
이러한 광섬유 인출 공정 중에 사용되는 광섬유 인출 설비들 중, 인출 타워의 최하측에 본 발명의 스핀 장치(20)가 적용된다. 그 이유는 광섬유 모재(1)와 스핀 장치(20)간의 거리가 가장 최대가 될 시, 상기 스핀 장치(20)에서 가해진 스핀이 광섬유에 가장 효과적으로 인가될 수 있고, 가장 균일하게 안정적으로 인가할 수 있기 때문이다. 즉, 광섬유 모재(1)가 인출 타워의 최고의 위치에 배치된다고 가정하면, 광섬유 모재(1)와 스핀 장치(20)간의 거리가 가장 최대가 될 시, 인출된 광섬유의 길이가 가장 최대가 되기 때문이다. 본 발명에 따른 스핀 장치(20)는 인출 타워의 최하측에 채용된다는 사실에 유의하지 않으면 안된다. 상기 스핀 장치(20)를 도 2, 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스핀 장치(20)는 인출 타워의 최하단에 배치되는 베이스 플레이트(210)와, 상기 베이스 플레이트(210)에 수직방향으로 정렬된 상태로 장착되어 인출된 광섬유(F)에 꼬임을 인가하는 틸팅 스핀 휠(214)(tilting spin wheel)과, 상기 틸팅 스핀 휠(214)을 순방향 또는 역방향으로 회전시키는 힘을 제공하는 동력원 및 상기 동력원에서 전달된 회전 속도를 일정이하로 감속시키는 감속부로 구성된다. 상기 틸팅 스핀 휠(214)은 베이스 플레이트(210)와 제1지지대(212)에 의해 안전하게 정렬된 상태로인출 타워의 최하측에 장착되며, 상기 틸팅 스핀 휠(214)을 통과한 광섬유는 캡스탄으로 향하게 된다. 특히, 상기 틸팅 스핀 휠(214)은 제2지지대(216)에 의해 베이스 플레이트에 회전가능하게 장착된다.
상기 동력원은 구동 모터(M)로서, 상기 베이스 플레이트(210)에 장착된다. 그리고, 상기 구동 모터(M)의 동력을 전달하는 타이밍 벨트(220)는 상기 구동 모터(M)의 하측의 미 도시된 모터 축과 연결되어 틸팅 스핀 휠의 스핀 휠 샤프트(224)에 연결된다. 그리고, 상기 스핀 휠 샤프트(224)는 틸팅 스핀 휠의 회전축(미 도시됨)과 연결되어 동력을 전달한다. 이때, 상기 틸팅 스핀 휠(214)은 커버(222)를 더 구비하며, 상기 커버(222)는 틸팅 스핀 휠(214)을 감싸게 베이스 플레이트(210)에 장착된다.
상기 틸팅 스핀 휠(214)은 인출된인 광섬유(F)와 면접촉을 하고, 상호간의 면접촉과 인출된 광섬유가 보유한 텐션을 이용하여 인출된 광섬유(F)에 주기적인 꼬임을 제공한다. 그리고, 상기 동력원(M)은 틸팅 스핀 휠(214)을 소정의 각도 내에서 주기적인 순방향/역방향으로 반복 회전시키는 힘을 제공하며, 상기 감속부는 고속의 구동 모터(M)의 속도를 일정한 속도 이하로 감속시켜서 상기 틸팅 스핀 휠의 회전축에 감속된 회전력을 전달하는 역할을 담당한다.
상기 구동 모터(M)는 타이밍 벨트(220)에 의해 스핀 휠 샤프트(224)에 동력이 전달된다. 상기 스핀 장치는 두 번의 감속 과정이 발생하는 바, 감속 과정을 보면, 상기 구동 모터(M)가 회전하고, 회전된 동력은 타이밍 벨트(220)에 의해 스핀 휠 샤프트(224)에 전달되면서 1차 감속이 일어난다. 이어서 상기 스핀 휠샤프트(224)에 동력이 전달되면서 미 도시된 메카니즘에 의해 스핀 휠에 전달될 때 2차 감속이 일어난다. 상기 미도시된 메카니즘은 키어 이빨수의 변경에 의해 감속을 구현한다. 예를 들어서, 상기 구동 모터(M)에서 스핀 휠 샤프트(224)로 동력이 전달될 때 1/10의 감속이 일어나고, 상기 스핀 휠 샤프트(224)에서 스핀 휠(214)에 전달될 때 1/10의 감속이 일어난다면, 전체적으로 상기 구동 모터(M)에서 스핀 휠 사이에는 1/100의 감속이 일어난다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 틸팅 스핀 휠(214)은 소정의 각도(θ)로 경사지게 베이스 플레이트(210)에 장착된다. 상기 스핀 장치가 스핀력을 인출된 광섬유(F)에 가할 수 있는 가장 중요한 이유는 텐션을 보유한 인출된 광섬유(F)와 틸팅 스핀 휠(214)이 면접촉을 한 상태에서 틸팅 스핀 횔(214)이 제2회전축(A1)을 중심으로 소정의 각도 내에서 회전반복운동을 수행하기 때문이다. 즉, 상기 인출된 광섬유(F)의 스핀은 상기 스핀 휠(214)이 소정의 각도로 경사지게 장착되에 기인한다. 상기 스핀 휠(214)은 회전축(A1)을 중심으로 회전하면서 인출된 광섬유(F)를 캡스탄으로 이송하는 기능을 담당함과 동시에 회전축(A2)를 중심으로 주기적으로 순방향 및 역방향으로 회전하면서 인출된 광섬유(F)에 주기적인 꼬임을 제공하게 된다. 도 3에 도시된 θ는 상기 틸팅 스핀 휠(F)의 회전량을 의미한다. 상기 회전량은 약 5°이내이다. 도시된 제1회전축(A2)은 제2회전축(A1)과 직작을 이룬다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 스핀 휠(214)은 외주면 에지를 따라서 제공된 돌출 부분(214a)과, 상기 돌출 부분(214a)사이에 제공된 오목 부분(214b) 및 상기 돌출 부분(214a)과 오목 부분(214b)사이에 제공된 경사면(214c)으로 구성된다. 상기 오목 부분(214b)은 평면이 제공된다. 상기 스핀 휠(214)은 인출된 광섬유와 접촉하고, 회전하면서 캡스탄으로 인출된 광섬유를 향하게 한다. 특히, 본 발명의 스핀 휠(214)은 경사진 상태로 장착되어 회전하기 때문에 인출된 광섬유가 면접촉하면서 어느 정도의 접촉에 따른 마찰에 의해 스핀이 인가될 수 있는 구성이다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 구동 모터는 순방향 및 역방향으로 회전을 하며, 이러한 회전력은 스핀 휠(214)에 전달된다. 물론, 구동 모터의 동력은 감속되어서 스핀 휠)214)에 전달된다. 주기적으로 상기 틸팅 스핀 휠(214)이 제2회전축(A1)을 중심으로 순방향 및 역방향으로 회전을 하면, 면접촉을 하고 있는 인출된 광섬유(F)는 스핀을 받게 된다. 상기 광섬유(F)에 인가된 스핀 방향은 순방향 및 역방향으로 주기적으로 가해지게 된다. 죽, 상기 스핀 휠(214)이 도 5a 내지 도 5c에 도시된 상태를 반복함으로써, 인출된 광섬유(F)에 주기적인 스핀을 제공하게 된다.
참고로, 상기 인출된 광섬유의 꼬임 정도는 스핀 휠의 마찰 계수나 스핀 휠의 틸팅 정도를 고려하여 설정될 수 있다. 그리고, 상기 스핀 휠의 후방향쪽으로 배치된 가이드 휠과의 거리에 따라서 틸팅 각도나 마찰 계수를 변경시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함을 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 스핀 장치를 인출 타워의 최하단에 장착하여 인출 공정을 진행하면, 인출된 광섬유에 주기적인 꼬임 현상이 제공되어서 광섬유의 편광모드분산을 최소화할 수 있는 이점을 달성하였다.

Claims (4)

  1. 광섬유 인출 공정에서 인출된 광섬유의 편광모드분산을 최소화하기 위한 스핀 장치에 있어서,
    (a) 인출 타워의 최하단에 배치되는 베이스 플레이트;
    (b) 제1회전축을 중심으로 회전하여 인출된 광섬유를 캡스탄으로 이송시키고, 상기 제1회전축과 직각인 제2회전축을 중심으로 주기적으로 소정의 각도 내에서 회전하며, 인출된 광섬유와 외주면이 접촉한 상태로 인출된 광섬유의 텐션을 이용하여 주기적 꼬임을 인가하며, 상기 베이스 플레이트에 정렬된 상태로 장착되는 틸팅 스핀 휠; 및
    (c) 상기 틸팅 스핀 휠의 제2회전축에 연결되어 구동 모터로 부터 동력을 전달받아 회전 속도를 감속시키는 감속부로 구성되어짐을 특징으로 하는 스핀 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 틸팅 스핀 휠은
    외주면 에지를 따라서 마주보게 제공된 돌출 부분들;
    상기 돌출 부분들 사이에 제공된 오목부; 및
    상기 돌출 부분과 오목 부분사이에 마주보게 제공된 경사면으로 구성되어짐을 특징으로 하는 스핀 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스핀 장치는 틸팅 스핀 휠을 보호하기 위한 커버를 더구비하며, 상기 커버는 틸팅 스핀 휠을 감싸게 베이스 플레이트에 장착되어짐을 특징으로 하는 스핀 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 틸팅 스핀 휠은 약 10°이내에서 상기 제2회전축을 중심으로 회전함을 특징으로 하는 스핀 장치.
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