KR20040011794A - 언덕형 굴절률을 갖는 광섬유 모재 제조 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 언덕형 굴절률 광섬유 모재를 제조하기 위하여 실린더형 증착용 튜브를 사용한 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 광섬유 모재의 제조 장치에 있어서, 상기 증착용 튜브 내에 증착층을 형성하는 반응 가스를 주입하는 원료 가스 공급부와, 상기 증착용 튜브의 길이 방향을 따라 외주면을 가열하며, 상기 증착용 튜브의 내부에 고온 영역을 형성시키는 열원과, 상기 증착용 튜브를 고정하여 회전시키는 척과, 상기 열원의 이동 경로인 가이드를 구비하여 구성된 선반부와, 상기 원료 가스 공급부의 반대편 척에 상기 증착용 튜브 내압을 조절하기 위한 역방향 가스 공급부를 구비한다.

Description

언덕형 굴절률을 갖는 광섬유 모재 제조 장치 및 그 방법{FABRICATING APPARATUS FOR GRADED INDEX MULTI-MODE OPTICAL FIBER PREFORM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 대구경 언덕형 광섬유 모재의 제조 장치 및 그방법에 관한 것으로서, 특히 변형된 화학 기상 방법에 의한 대구경 언덕형 광섬유 모재의 제조 장치 및 그방법에 관한 것이다.

통상적으로 광섬유 모재의 제조 방법으로는 변형된 화학 기상 증착법(MCVD)방법, VAD(Vapour Phase Axial Deposition)방법, OVD(Outside Vapour Phase Deposition)방법 등이 있다. 이렇게 제조된 광섬유 모재는 인출 공정을 거쳐서 한 가닥의 광섬유로 인출된다.

상기 광섬유는 광전송 특성에 따라 크게, 다중 모드 광섬유와 단일 모드 광섬유로 분류된다. 상기 다중 모드 광섬유의 일종인 언덕형 광섬유는 코아의 굴절률이 광섬유의 중심을 기준으로 외부 방향으로 진행할수록 감소하며, 상술한 바와 같은 굴절률 변화로 인하여 입력 광신호는 정현파를 형성하며 언덕형 광섬유 내를 진행하게 된다.

도 1은 종래 기술의 변형된 화학 기상 증착법에 의한 광섬유 모재의 제조 장치를 나타내는 측면도이다. 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 광섬유 모재의 제조 장치는 원료 가스 공급부(120)와, 실린더형의 증착용 튜브(110)를 고정 회전시키는 한 쌍의 척(132,136)과 가이드(140)를 구비한 선반부(150)와, 상기 열원(160)으로 구성된다.

상기 원료 가스 공급부(120)는 산소와 다수의 첨가 물질을 원료 가스를 상기 증착용 튜브(110)의 내부에 주입하는 역할을 하며, 상기 원료 가스의 첨가 물질에는 SiCl₄, GeCl₄, PoCl₃등이 사용된다.

상기 선반부(150)는 한 쌍의 척(132,136)과 가이드(140)를 구비하여 구성된다. 상기 한 쌍의 척(132,136)은 상기 증착용 튜브(110)의 양단을 회전 가능하게 고정시키고, 상기 가이드(140)에는 상기 열원(160)이 이동 가능하게 탑재된다. 상기 열원(160)으로는 수소 및 산소 버너 또는 플라즈마 토치 등이 사용 가능하며, 상기 증착용 튜브(110)의 외주면을 가열하면서, 상기 가이드(140)를 따라 소정의 속도로 좌우 왕복 운동을 한다.

도 2는 종래 기술에 의한 언덕형 광섬유 모재 제조 방법을 나타내는 순서도 이다. 통상적으로, 변형된 화학 기상 방법은 석영관 재질의 증착용 튜브를 가열하여 상기 증착용 튜브의 내부에 고온 상태를 형성시키는 고온 가열 과정(200)과, 상기 증착용 튜브 내부에 가스를 주입하여 반응물을 생성시키는 반응물 생성 과정(210)과, 열영동 현상에 의한 증착 과정(220)으로 구성된다.

상기 고온 가열 과정(200)은 열원으로서 산소, 수소 버너 또는 플라즈마 토치를 사용하여 상기 증착용 튜브(110)의 외주면을 가열하여, 상기 증착면 튜브(110)의 내부에 고온 상태를 형성시키는 과정이다. 상기 열원(160)은 상기 증착용 튜브(110)의 길이 방향을 따라 직선 왕복 운동을 하게 된다.

도 3a의 상기 튜브(300)와 도 3b의 증착용 튜브(300)의 외경과 두께는 상기 열원의 가열로 인하여 두께 변화가 발생한다. 즉, 언덕형 광섬유 모재의 제조전의 증착용 튜브(300)의 두께(a)와, 언덕형 광섬유 모재의 제조 과정이 완료된 제조 후의 증착용 튜브(300)의 두께(b)는 점도 변화와 수축 등에 의하여 변화된다.

도 2에 도시된 상기 반응물 생성 과정(210)은 상기 고온 가열 과정(200)중의 상기 증착용 튜브(110)내에 산소와 다수의 첨가 물질의 조합으로 구성된 원료 가스를 주입하는 과정으로서, 상기 첨가 물질에는 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃, 프레온 등이 사용 가능하다. 상기 원료 가스는 상기 증착용 튜브(110) 내부의 고온 가열된 환경에서 반응물을 생성하게 된다. 상기 반응물의 반응식은, 예를 들면, SiCl₄와 O₂가 결합되어 SiO₂와 2Cl₂를 형성하고, GeCl₄와 O₂가 결합되어 GeO₂와 2Cl₂를 형성한다. 즉, 첨가 물질이 산소와 결합하여 산화됨과 동시에 2Cl₂를 생성한다.

상기 증착 과정(220)은 상기 반응물이 열영동 메카니즘(ThermophoreticMechanism)에 의하여 상대적으로 온도가 낮은 상기 증착용 튜브(110)의 내벽에 적층되는 과정이다. 도 4는 언덕형 광섬유 모재의 굴절률 변화를 나타내는 알파 프로파일 그래프로서, 상기 알파 프로파일(α- Profile)은 언덕형 광섬유 모재의 직경 방향과 굴절률의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4의 실선(440)은 언덕형 광섬유 모재 코어부의 굴절률 분포가 왜곡된 것을 의미하고, 도 4의 점선(430)은 언덕형 광섬유 모재 코어부의 굴절률 분포가 이상적인 알파 프로파일을 의미한다.

그러나, 고온 가열 과정에서 튜브의 수축 등과 같은 두께 변화는 증착층의 굴절률 분포가 왜곡되는 문제가 있다. 또한, 증착층의 굴절률 분포 왜곡은 알파 프로파일의 변형을 유발하여 광섬유 모재의 대역폭 감소의 요인으로 작용한다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 튜브의 두께 변형을 방지함으로써, 반응물 증착의 균일성과 증착된 층의 기하구조를 안정화 시켜서, 정밀한 알파 프로파일을 구현할 수 있는 변형된 화학기상 증착 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위하여, 언덕형 굴절률 광섬유 모재를 제조하기 위하여 실린더형 증착용 튜브를 사용한 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 광섬유 모재의 제조 장치에 있어서,

상기 튜브 내에 증착층을 형성하는 반응 가스를 주입하는 원료 가스 공급부와;

상기 증착용 튜브의 길이 방향을 따라 외주면을 가열하며, 상기 증착용 튜브의 내부에 고온 영역을 형성시키는 열원과;

상기 튜브를 고정하여 회전시키는 척과, 상기 열원의 이동 경로인 가이드를 구비하여 구성된 선반부와;

상기 원료 가스 공급부의 반대편 척에 상기 튜브내 내압을 조절하기 위한 역방향 가스 공급부를 구비하여 구성된다.

도 1은 종래 기술의 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 광섬유 모재 제조 장치를 나타내는 측면도,

도 2는 종래 기술의 변형된 화학 기상 증착법에 의한 언덕형 광섬유 모재 제조 방법을 나타내는 순서도,

도 3a 는 종래 기술의 언덕형 광섬유 모재 제조전의 증착용 튜브를 나타내는 사시도,

도 3b는 종래 기술의 언덕형 광섬유 모재 제조중의 증착용 튜브를 나타내는 사시도,

도 4는 종래 기술에 의한 언덕형 광섬유 모재의 반지름과 굴절률간의 상관 관계를 나타내는 굴절률의 분포 그래프,

도 5는 본 발명에 의한 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 광섬유 모재의 제조 장치를 나타내는 측면도,

도 6은 본 발명의 변형된 화학 기상 증착법에 의한 언덕형 광섬유 모재 제조방법을 나타내는 순서도,

도 7a는 본 발명에 의한 언덕형 광섬유 모재 제조전의 증착용 튜브를 나타내는 측면도,

도 7b는 본 발명에 언덕형 광섬유 모재 제조 후의 증착용 튜브를 나타내는 측면도,

도 8은 본 발명에 의한 언덕형 광섬유 모재의 굴절률 분포를 나타내는 알파 프로파일 그래프.

이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 5는 본 발명에 의한 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 광섬유 모재의 제조 장치의 측면도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명은 원료 가스 공급부(520)와, 증착용 튜브(510)를 구비하여 언덕형 광섬유 모재 제조의 작업대 역할을 하는 선반부(550)와, 상기 증착용 튜브(510)를 가열하는 열원(560)과, 상기 원료 가스 공급부(520)의 반대편에 위치하여 상기 증착용 튜브(510) 내부에 역방향 가스를 주입하는 역방향 가스 공급부(570)를 포함하여 구성된다.

상기 원료 가스 공급부(520)는 산소와 다수의 첨가 물질을 원료 가스를 상기증착용 튜브(510)의 내부에 주입한다. 상기 원료 가스의 첨가 물질에는 SiCl₄, GeCl₄, PoCL₄등이 사용 가능하다.

상기 선반부(550)는 한 쌍의 척(532,536)과 가이드(540)를 구비하며, 상기 한 쌍의 척(532,536)에는 상기 증착용 튜브(510)의 양끝단이 회전 가능하게 고정된다. 상기 가이드(540)에는 상기 열원(560)이 이동 가능하게 탑재된다.

상기 열원(560)은 산소/수소 버너 또는 플라즈마 토치 등이 사용 가능하며, 상기 증착용 튜브(510)의 내부에 고온 상태를 형성시키며, 상기 가이드를 따라 소정의 속도로 좌우 왕복 운동한다.

상기 역방향 가스 공급부(570)는 상기 원료 가스 공급부의 반대편에 위치하며, 상기 증착용 튜브(510) 내부에 역방향 가스를 주입시킨다. 또한 상기 역방향 가스 공급부(570)의 관은 상기 증착용 튜브의 내경에 비해 작은 외경의 관을 사용하여, 원료 가스의 흐름을 차단하지 않도록 한다. 상기 역방향 가스로는 질소 가스 등이 사용 가능하며, 상기 증착용 튜브 내부의 내압을 조절한다.

도 6은 언덕형 광섬유 모재의 제조 순서를 나타내는 순서도이다. 도 6을 참조하면, 변형된 화학 기상 방법에 의한 언덕형 광섬유 모재의 제조 방법은 석영과 재질의 상기 증착용 튜브(510)를 가열하여 튜브의 내벽을 고온 상태로 만드는 고온 가열 과정(610)과, 상기 증착용 튜브(510) 내부에 가스를 주입하여 반응물을 생성시키는 반응물 생성 과정(620)과, 상기 반응물 생성 과정(620)중에 가스 주입 방향의 반대 방향에서 역방향 가스를 주입하여 상기 증착용 튜브의 외경을 확장시키는확장 과정(630)과, 증착 과정(640)으로 구성된다.

상기 고온 가열 과정(610)은 상기 열원(560)을 사용하여, 상기 증착용 튜브(510)의 점도를 변형시키고, 상기 증착용 튜브(510)의 내부를 고온 상태로 형성시키는 과정이다. 상기 증착용 튜브(510)의 가열시 상기 열원(560)은 상기 가이드(540)를 따라 상기 증착용 튜브(510)의 좌우를 직선 왕복 운동을 하게 된다.

상기 반응물 생성 과정(620)은, 상기 고온 가열 과정(610)중의 상기 증착용 튜브(510)의 내부에 원료 가스를 주입하여, 열에 의한 화학 작용으로 반응물을 생성하는 과정이다. 상기 원료 가스의 첨가 물질에는 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃, 프레온 등이 사용 가능하다. 상기 반응물의 반응식은, SiCl₄와 O₂가 결합되어 SiO₂와 2Cl₂의 반응물을 형성시키고, GeCl₄와 O₂가 결합되어 GeO2와 2Cl2를 형성시킨다.

상기 확장 과정(630)은 모재 제조 공정중 발생하는 상기 증착용 튜브(510)의 수축 등으로 인한 불균일한 외경 변화를 방지하기 위한 과정으로서, 상기 고온 가열 과정(610)에서 점도가 변화된 상태의 상기 증착용 튜브(510) 내부에 상기 원료 가스의 주입 방향과 반대되는 방향에서 질소 등의 역방향 가스를 주입하여, 상기 증착용 튜브(510)의 외경을 확장시키는 과정이다. 상기 역방향 가스는 원료 가스 주입과 동시에 시작되며, 상기 증착용 튜브(510)의 내압을 조절한다. 도 7a는 확장 과정(630)전의 증착용 튜브(710)이며, 도 7b는 외경이 확장된 증착용 튜브(710)를 참조하면, 상기 고온 가열 과정(610)중에 유발된 점도 변화와 상기 확장 과정에서 주입되는 역방향 가스에 의한 내압 변화는 상기 증착용 튜브(700)의 외경을 확장시키며, 두께(a, b)의 불균일한 변화를 방지한다.

상기 증착 과정(640)은 상기 증착용 튜브(510)의 내부에서 원료 가스와 반응하여 생성된 반응물이 열영동 메카니즘(Thermophoretic Mechanism)에 의해 상대적으로 온도가 낮은 상기 증착용 튜브(510)의 내벽 쪽으로 이동하여 증착되는 과정이다. 도 8은 언덕형 광섬유 모재의 굴절률 특성을 나타내는 알파 프로파일 그래프로서, 언덕형 광섬유 모재의 직경 방향에 대한 굴절률 변화를 타나낸다.

상술한 바와 같이, 변형된 화학 기상 방법에 의한 언덕형 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서, 증착용 튜브의 외경 확장 과정은 상기 원료 가스에 열전달이 원활하게 되어 반응물 생성을 활성화시키며, 각각의 굴절률의 층이 적층시 발생되는 두께 오차로 인한 굴절률 편차를 완화시킨다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 광섬유 모재의 제조 방법은 반응물 생성 과정 중에 증착요 튜브 내부에 주입되는 가스의 반대 방향에서 역방향 가스를 주입함으로써, 증착용 튜브의 수축 또는 불균일한 외경 변화를 억제할 수 있다는 이점이 있다. 이에 따라서, 본 발명에 따른 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 장치 및 방법을 이용하여 생성된 언덕형 광섬유 모재의 굴절률 분포를 이상적인 알파 프로파일에 가깝게 구현하여, 대역폭 값을 향상 시킨다.

Claims (2)

1. 언덕형 굴절률 광섬유 모재를 제조하기 위하여 실린더형 증착용 튜브를 사용한 변형된 화학 기상 증착법을 이용한 광섬유 모재의 제조 장치에 있어서,

   상기 튜브 내에 증착층을 형성하는 반응 가스를 주입하는 원료 가스 공급부와;

   상기 증착용 튜브의 길이 방향을 따라 외주면을 가열하며, 상기 증착용 튜브의 내부에 고온 영역을 형성시키는 열원과;

   상기 튜브를 고정하여 회전시키는 척과, 상기 열원의 이동 경로인 가이드를 구비하여 구성된 선반부와;

   상기 원료 가스 공급부의 반대편 척에 상기 튜브내 내압을 조절하기 위한 역방향 가스 공급부를 구비함을 특징으로 하는 언덕형 광섬유 모재의 제조 장치.
2. 증착용 튜브 내벽에 변형된 화학 기상 증착 방법에 의한 언덕형 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서,

   증착용 튜브 가열용 버너를 이용하여 상기 증착용 튜브의 내부를 고온 가열시키는 고온 가열 과정과;

   상기 고온 가열된 상시 증착용 튜브의 내부에 원료 가스를 주입하여 반응물을 생성시키는 반응물 생성 과정과;

   상기 원료 가스의 주입 방향과 반대되는 방향에서 역방향 가스를 주입하여, 상기 증착용 튜브 내부의 압력을 증폭시켜 상기 증착용 튜브의 외경을 증가시키는 확장 과정과;

   상기 증착용 튜브 내부에 생성된 반응물을 열영동 메카니즘에 의해 상기 증착용 튜브의 내벽에 증착 시키는 증착 과정을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 변형된 화학 기상 방법에 의한 언덕형 광섬유 모재의 제조 방법.