KR20030094037A - 저손실 광섬유 모재 및 그 제조 방법 - Google Patents

저손실 광섬유 모재 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

원하는 클래드에 대한 코어의 비를 갖는 광섬유 모재의 제조 방법으로서, 유리 미립자를 퇴적하여 다공질 모재를 형성하는 단계, 상기 다공질 모재를 탈수 및 유리화하여 코어 부재를 제조하는 단계, 및 상기 코어 부재 상에 클래드 부재를 첨가하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 헬륨 및 염소를 포함하는 가스 분위기에서 상기 다공질 모재를 전기로 내에서 탈수하는 단계, 헬륨을 포함하는 불활성 가스 분위기에서 상기 다공질 모재를 유리화하는 단계, 및 상기 탈수 단계와 상기 유리화 단계 사이에 헬륨을 주성분으로 하는 불활성 가스 분위기에서 상기 다공질 모재의 가열을 퍼지(purging)하는 단계를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저손실 광섬유 모재 및 그 제조 방법{LOWER-LOSS BASE MATERIAL FOR OPTICAL FIBRES AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 기상 축증착(Vapor-phase-Axial-Deposition; VAD)법에 의한 광섬유의 모재(母材)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 물의 존재에 기인한 광의 흡수가 종래의 모재에 비해 매우 낮은 저손실 광섬유 모재의 제조 방법에 관한 것이다.
종래에, 광섬유의 모재를 제조하는 방법으로서 VAD법이 잘 알려져 있다. 이 방법에 따르면, 기상(氣相)에서 제조된 유리 미립자를 회전하면서 상향 운동하는 샤프트에 부착한 출발 부재의 선단에 퇴적시켜 코어층(core layer)과 클래드층(clad layer)으로 이루어지는 광섬유를 제조한다.
이 모재는 다공질 모재로서, 염소 가스와 같은 탈수 분위기 하에 가열함으로써 탈수된다. 계속해서, 모재를 헬륨과 같은 불활성 가스 분위기에서 가열하면 유리화(vitrify)된다. 이로써, 클래드층의 일부를 포함하는 광섬유용 코어 부재가 얻어진다.
또한, 클래드 부재는 실리카 튜브로 재킷을 형성하거나 임의의 기상 합성 방법, 탈수 및 유리화 방법을 이용하여 코어 부재의 외부 표면에 퇴적됨으로써 원하는 클래드에 대한 코어의 비(코어/클래드 비)를 갖는 광섬유용 유리 모재가 얻어진다.
종래의 제조 방법에 따라 유리 모재를 드로잉하여 얻어지는 광섬유에서는, 광 손실의 피크 중 큰 피크가 약 1383 nm의 파장에서 존재한다. 이 피크는 광섬유에 함유되어 있는 수산기(OH)의 존재에 기인하여 발생된다. 광섬유 내의 OH기의 함량이 1 ppb에 불과할 경우에도 0.065 dB/km의 광손실이 일어난다. 또한, 상기 피크는 수소의 분산으로 인해 시간의 경과에 따라 증가하는 것으로 알려졌다.
종래, 상기 피크를 포함하는 파장 영역은 흡수 피크가 1 dB/km 미만인 경우에는 해당되지 않는다. 그러나, 최근의 개략적 파장분할다중법(coarse wavelength division multiplexing; CWDM) 및 라만 증폭법(Raman amplification)의 적용이 등장함으로써 전술한 파장 영역이 중요해진다. 이에 관하여, 피크가 커질수록 광신호의 전송 품질이 나빠진다.
도 1은 다공질 유리 모재의 소결 장치의 구성예를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 얻어진 광섬유의 손실 특성을 나타내는 그래프.
도 3은 종래의 방법에 따라 얻어진 광섬유의 손실 특성을 나타내는 그래프.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점의 해결책을 제공한다. 따라서 본 발명의 목적은 수산기의 존재에 기인한 광손실을 저감하는 광섬유용 모재 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
원하는 코어/클래드 비를 갖는 광섬유 모재의 제조 방법으로서, 유리 미립자를 퇴적하여 다공질 모재를 형성하는 단계, 상기 다공질 모재를 탈수 및 유리화하여 코어 부재를 제조하는 단계, 및 상기 코어 부재 상에 클래드 부재를 첨가하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 헬륨 및 염소를 포함하는 가스 분위기에서 상기 다공질 모재를 전기로 내에서 탈수하는 단계, 헬륨을 포함하는 불활성 가스 분위기에서 상기 다공질 모재를 유리화하는 단계, 및 상기 탈수 단계와 상기 유리화 단계 사이에 헬륨을 주성분으로 하는 불활성 가스 분위기에서 상기 다공질 모재의 가열을 퍼지(purging)하는 단계를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 탈수 단계, 유리화 단계 및 퍼지 단계에서 사용되는 헬륨 가스의 수분 함량은 10 ppb 미만인 것이다. 한편, 퍼지 단계는 800℃ 내지 1200℃에서 실행된다.
상기 탈수 및 유리화된 코어 부재를 유리 선반용으로 사용하는 산수소 버너(oxyhydrogen burner)로 가열함으로써 원하는 직경으로 연신(延伸)한 후, 수분을 포함하는 표면층이 에칭에 의해 제거된 다음 클래드 부재를 첨가하거나, 또는 상기 탈수 및 유리화된 코어 부재를 전기로에서 가열함으로써 원하는 직경으로 연신한 후, 불순물을 포함하는 표면층이 에칭에 의해 제거된 다음 클래드 부재를 첨가한다.
이하에서 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 설명하는데, 이들 실시에는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니고 본 발명을 예시하고자 하는 것이다. 실시예에 기재된 모든 특징 및 그의 조합은 본 발명에 대해 필수적인 것은 아니다.
도 1은 다공질 유리 모재의 소결 장치(100)의 구성예를 나타낸다. 소결 장치(100)는 용기(14), 가열원(heater)(22), 가스 도입관(24) 및 구동원(drive source)(16)을 구비한다. 용기(14)는 실리카 유리로 만들어진다. 가열원(22)은 용기(14)를 가열하도록 용기(14) 주위에 배치된다.
가스 도입관(24)은 용기(14)의 저부에 접속되고, 가스 도입관(24)을 통해 헬륨(He) 가스와 같은 불활성 가스 및 염소(Cl2) 가스와 같은 탈수반응 가스의 혼합 가스가 용기(14) 내부로 도입된다.
용기(14)의 정상부에는 배기관(20)이 접속되어 용기(14)의 저부로부터 유입되는 혼합 가스가 배기관(20)으로부터 배출된다. 구동원(16)은 소결 장치(100)의 상부에 설치된다. 구동원(16)은 코어 로드(core rod)(10)에 접속된다.
탈수 공정을 실행하기 전에 VAD법 등의 방법에 의해 코어 로드(10) 주위에 다공질 유리 모재(12)가 형성된다. 구동원(16)은 코어 로드(10)를 용기(14) 내부로 하강시킴으로써 다공질 유리 모재(12)를 용기(14) 내부에 삽입한다. 용기(14)는 가스 도입관(24)으로부터 유입된 혼합 가스 분위기로 채워지고, 가열원(22)에 의해 용기(14)의 주위가 가열된다. 따라서, 용기(14) 내에 삽입된 다공질 유리 모재(12)는 혼합 가스 분위기 하에서 가열되어 탈수 및 소결된다.
뒤에 언급하게 되는 치환 공정에서, 다공질 유리 모재(12)의 세공(pore) 내부에 잔류하는 가스는 헬륨과 같은 제1 불활성 가스로 치환된다. 다공질 유리 모재(12)는 복수의 세공을 갖는다. 치환 공정에서, 제1 불활성 가스는 가스 도입관(24)을 통해 용기(14) 내에 도입되어 용기(14)를 제1 불활성 가스로 채운다.
또한, 뒤에 언급하게 되는 유리화 공정에서, 다공질 유리 모재(12)는 가스 도입관(24)을 통해 용기(14) 내에 헬륨, 아르곤 또는 질소와 같은 제2 불활성 가스를 도입함으로써 제2 불활성 가스 분위기에서 가열 및 유리화된다.
소결 장치(100)의 형태가 도 1에 예시된 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 소결 장치(100)는 다공질 유리 모재(12)의 위치를 용기(14) 내부에 고정하고 가열원(22)을 다공질 유리 모재(12)에 상대적으로 이동시킬 수 있다.
본 발명은 수분을 감소시키기 위해 종래의 탈수 단계와 유리화 단계 사이에 헬륨을 주로 포함하는 불활성 가스 분위기에서 다공질 모재를 가열하는 퍼지 단계를 결부시켜 코어 부재를 제조하고, 또한 코어 부재에 클래드 부재를 부가하는 제조 방법을 제공한다. 그 결과, 1383 nm 부근 파장의 OH 피크 영역에서 광손실이 실질적으로 감소된다.
본 발명에서, 탈수 단계, 유리화 단계 및 퍼지 단계에서 사용되는 가스의 예로는 헬륨을 들 수 있다. 헬륨은 10 ppm 미만의 수분을 포함한다. 그러나 헬륨을 정제기(refiner)로 정제하여 수분이 10 ppb 이하가 되도록 하면 그러한 헬륨의 사용으로 광손실은 더욱 저감된다. 이것은 탈수 단계에서 염소의 도움으로 실리카로부터 수분 일부가 제거된 후, 퍼지 단게에서 실질적으로 수분을 전혀 포함하지 않는 가스로 잔류 수분의 치환이 이루어지는 것을 의미한다. 동일하게, 다른 단계에서 정제기를 사용하여 염소로부터 수분을 감소함으로써 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
퍼지 단계를 효율적으로 달성하기 위해, 조작 온도는 800℃ 내지 1200℃로 설정된다. 800℃ 미만에서는 수분을 포함하는 가스의 확산 속도가 느려서 실용적 시간 내에 수분을 포함하지 않는 가스로 치환이 이루어질 수 없다. 부가적으로, 격렬한 온도 변화는 전기로의 튜브에 균열 등의 손상을 일으킬 수 있다. 반면에 1200℃를 초과하면 다공질 모재의 수축이 시작된다. 이 경우, 유리 내에 체류하는 수소 성분이 적절히 퍼지되지 않으므로 가스의 치환이 효율적으로 실행되지 않는다.
탈수 및 유리화된 코어 부재를 원하는 직경으로 연신한 후, 필요한 두께를 갖는 클래드 부재가 코어 부재 상에 부가된다.
코어 부재를 연신하는 수단으로서 유리 선반 또는 전기로를 사용할 수 있다. 드로잉된 광섬유에서의 추정되는 광의 분포를 감안할 때, 광의 분포가 코어 부재의 외부까지 확장되면 코어 부재와 부가할 클래드 부재 사이의 계면에 존재하는 수분이 중요해진다.
연신을 위해 유리 선반을 사용하면, 선반용으로 사용되는 산수소 버너로부터의 화염으로 인해 코어 부재의 표면에 수분이 확산된다. 그러한 수분 확산을 줄이기 위해서 연신된 코어 부재의 표면층을 불산이나 플라즈마로 에칭하여 제거하는 것이 바람직하다.
연신을 위해 전기로를 사용하면, 코어 부재의 표면 상에 수분의 확산이 거의 없다. 그러나, 노에서 발생되는 일부 물질이 코어 부재의 표면 상에 잔류할 수 있고, 이것이 흡수 품질을 나쁘게 할 수 있다. 이 경우에도 연신된 코어 부재의 표면층을 에칭에 의해 제거하는 것이 바람직하다.
코어 부재는 코어 단독 또는 코어에 클래드의 일부를 갖는 구성으로 한다. 코어 부재 내의 클래드에 대한 코어의 비는 부가할 클래드 부재 내의 수분 함유량에 따라 그 허용 범위가 결정된다. 예를 들면, 부가할 클래드 부재에서의 OH기에 기인한 흡수를 0.01 dB/km 이하로 낮추기 위해서, 상기 클래드 부재의 수분 함유량이 약 200 ppm인 경우에, 코어 부재의 외부로 확장되는 광 파워(light power)의 양을 광 파워 총량의 7×10-7이하로 억제해야 한다. 다른 예에서, 상기 클래드 부재의 수분 함유량이 약 2 ppm까지 저감되어 있는 경우에, 상기 광 파워의 비율은 7×10-5이하 정도일 수 있다. 이와 같은 추정된 광 파워에 의거하여 코어 부재 내의 바람직한 코어/클래드 비가 결정된다. 한편, 추정된 광의 분포는 코어의 굴절률 분포 형상에 따라서도 크게 좌우된다.
[실시예 1]
VAD법에 따라 유리 미립자를 퇴적하여 다공질 모재를 형성한다. 이어서 이 다공질 모재를 전기로 내부에 수직으로 매단다. 이러한 구성으로, 광섬유용 코어 부재를 형성하기 위해, 염소 및 헬륨 분위기 하에 1100℃에서 다공질 모재를 탈수하고, 이어서 헬륨 100%의 분위기 하에 1100℃에서 퍼지를 행하고, 그 후 헬륨100%의 분위기 하에 1500℃에서 유리화하였다.
여기서 사용한 전기로는 석영으로 만든 튜브를 포함한다. 다공질 유리 모재는 모재를 공기로부터 차단된 상태를 유지하면서 상하 이동하도록 상기 튜브 내에 조작 가능하게 배치된다. 전기로 내에 배치된 가열원은 튜브의 일부를 가열한다. 이러한 구성 하에, 전술한 단계 또는 처리 공정을 실행하기 위해 모재는 튜브의 가열되는 부분을 통과하여 처리된다.
튜브는 선택적으로 개폐되는 개구부를 갖는 덮개를 구비한 개방단(open-end)을 갖는다. 모재에 접속된 새프트가 개구부를 통하여 배치되어 샤프트의 운동에 따라 모재가 상하 이동할 수 있게 되어 있다. 또한, 상기 튜브는 분위기 가스를 공급하기 위해 저부에 설치된 공급 포트(port) 및 가스를 배출시키기 위해 덮개 상에 설치된 배기 포트를 갖는다.
한편, 각 단계 또는 처리 공정에서 탈수된 모재로 수분이 다시 혼입되는 것을 방지하기 위해, 튜브에 공급되는 각 가스의 수분 함량은 10 ppb 미만으로 저감된다. 퍼지 단계는 800℃ 내지 1200℃의 온도에서 실행된다.
이러한 조건 하에 제조한 코어 부재를 드로잉한 다음, 복수의 모드를 전파시켜 드로잉된 코어 부재 상의 손실 특성을 측정한다. 그 결과, 파장 1383 nm 부근의 흡수 피크가 매우 작은 것으로 나타난다. 이로써 향상된 결과가 확인된다.
얻어진 코어 부재에서의 클래드에 대한 코어의 비가 0.20이다. 이 구성은 싱글모드 광섬유로서는 불충분하다. 따라서, 적합한 방법에 따라, 상기 얻어진 코어 부재에 추가로 클래드를 부가하여 광섬유용 유리 모재로서 충분한 것으로 만든다.
클래드를 추가로 부가할 때, 코어 부재를 소정의 직경으로 연신할 필요가 있다. 예를 들면, 연신을 위해 산수소 버너를 이용하는 유리 선반이 이용된다. 이에 관하여, 수분이 확산되어 있는 모재의 표면을 불산 용액으로 에칭하여 제거한 후, 코어 부재에 클래드를 부가한다. 또한, 클래드가 부가된 코어 부재를 헬륨 및 염소 분위기 중에서 탈수 및 유리화한다.
도 2는 이상과 같이 클래드가 부가된 코어 부재 상에서 얻어진 손실 특성을 나타내는 그래프이다. 이 결과는 앞서 언급한 드로잉된 코어 부재와 동일한 정도의 양호한 손실 특성을 나타낸다.
한편, 연신을 위해 전기로를 사용하는 경우에, 클래드가 부가된 코어 부재 표면에 존재하는 불순물을 불산 용액으로 에칭하여 제거한 후 코어 부재에 클래드를 부가한다. 또한, 클래드가 부가된 코어 부재를 헬륨 및 염소 분위기 중에서 탈수 및 유리화한다. 마찬가지로 손실 특성의 측정 결과는 향상을 나타낸다.
[비교예 1]
비교예에서는, 종래의 방법에 따라 유리 모재를 제조한다. 종래의 방법과 본 발명의 차이에 대한 설명은 이하와 같다:
첫째로, 종래의 방법에는 탈수 단계와 유리화 단계 사이에 퍼지 단계가 없다. 둘째로, 종래의 방법에서, 전기로의 튜브에 공급되는 가스의 수분 함량은 1 ppm까지만 보장된다. 셋째로, 클래드를 부가하기 위해, 종래의 방법은 산수소 화염으로 연신된 코어 부재의 표면을 에칭하는 단계가 없다.
도 3은 종래의 방법에 따라 제조된 유리 모재를 드로잉하여 얻어진 광섬유에 대한 손실 특성을 나타내는 그래프이다. 이 결과는 1383 nm의 파장에서 광손실의 큰 피크를 나타낸다.
본 발명은 탈수 단계와 유리화 단계 사이에 퍼지 단계를 제공한다. 이러한 특징에 수반하여 수산기에 기인한 광손실이 억제된다. 따라서, 저손실 광섬유 모재가 얻어진다.

Claims (6)

  1. 원하는 클래드(clad)에 대한 코어(core)의 비를 갖는 광섬유 모재의 제조 방법으로서,
    유리 미립자를 퇴적하여 다공질 모재를 형성하는 단계,
    상기 다공질 모재를 탈수 및 유리화(vitrifying)하여 코어 부재를 제조하는 단계,
    상기 코어 부재 상에 클래드 부재를 부가하는 단계,
    헬륨 및 염소를 포함하는 가스 분위기에서 상기 다공질 모재를 전기로 내에서 탈수하는 단계,
    헬륨을 포함하는 불활성 가스 분위기에서 상기 다공질 모재를 유리화하는 단계, 및
    상기 탈수 단계와 상기 유리화 단계 사이에 헬륨을 주성분으로 하는 불활성 가스 분위기에서 상기 다공질 모재의 가열을 퍼지(purging)하는 단계
    를 포함하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탈수 단계, 상기 유리화 단계 및 상기 퍼지 단계에서 사용하는 헬륨 가스의 수분 함량이 10 ppb 미만인 광섬유 모재의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 퍼지 단계가 800℃ 내지 1200℃에서 행해지는 광섬유 모재의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탈수 및 유리화된 코어 부재를 유리 선반(glass lathe)을 이용하여 산수소 버너(oxyhydrogen burner)로 가열함으로써 원하는 직경으로 연신(延伸)한 후, 수분을 포함하는 표면층을 에칭에 의해 제거한 다음 상기 클래드 부재를 부가하는 단계를 추가로 포함하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탈수 및 유리화된 코어 부재를 상기 전기로에서 가열함으로써 원하는 직경으로 연신한 후, 불순물을 포함하는 표면층을 에칭에 의해 제거한 다음 상기 클래드 부재를 부가하는 단계를 추가로 포함하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여 제조되는 모재로부터 형성되는 광섬유 모재.
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