KR20050081236A - 다공 광섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기구멍(air hole)을 갖는 다공 광섬유(holey fiber) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 다공 광섬유는 제1 굴절률을 갖는 코어와; 상기 코어를 감싸도록 형성되고, 제2 굴절률을 갖는 외측 클래딩과; 상기 코어와 외측 클래딩 사이에 형성되고, 다수의 공기구멍이 산재되어 제3 굴절률을 갖는 내측 클래딩을 포함하여 구성되며, 상기 다수의 공기구멍은 불규칙적으로 산재되어 있음을 특징으로 한다.

Description

다공 광섬유 및 그 제조방법{HOLEY FIBER AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 공기구멍(air hole)을 갖는 다공 광섬유(holey fiber) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 다공 광섬유는 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber: PCF)로써, 이는 광섬유의 특별한 한 형태이다. 일반 단일모드 광섬유는 유리에 저마늄(Germanium) 또는 인(Phosphorus)을 첨가하여 코어로 사용한다. 반면, 다공 광섬유는 도 1에 도시된 바와 같이 융합된 석영 유리(1)와 같은 단일 고체상의 실질적으로 투명한 소재로 만들어지며, 그 내부에 섬유의 전체 길이를 따라 섬유 축에 평행하게 연장되어 뻗어 있는 규칙적인 배열의 공기구멍(air hole)(2)이 형성되어 있다.

다공 광섬유는 규칙적인 배열 형태 내에 있어서 공기층과 석영 유리층의 유전상수 차이를 이용하여 광자 전이층을 만들고, 이러한 광자 전이층은 반도체에서의 전자 전이층(electronic band-gap)처럼 특정 파장이나 광파 진행 방향에 대해 광 저지대역(Photonic stop band)을 갖게 한다. 즉, 광자 전이층의 조건을 만족하는 빛만 광자 전이층을 통과할 수 있다.

다시 말해, 다공 광섬유 내에서의 빛의 진행은 포토닉 밴드갭 효과(Photonic Band-gap Effect)와 유효 굴절률 효과(Effective Index Effect)에 의해 이루어지며, 이에 대해서는 공개된 논문 T.A.Birks et al., Electronic Letters, Vol.31(22) p.1941(October 1995) 및 J.C.Knight et al., Proceeding of OFC, PD 3-1(February, 1996) 등에 상세히 개시된 바 있다.

이러한, 다공 광섬유는 기술적으로 많은 중요한 특성을 가지고 있다. 예컨대, 광범위한 파장 범위에 걸쳐 단일 모드를 지원할 수 있으며, 큰 모드 영역을 가질 수 있으므로 높은 광 파워(Optical Power)를 전송할 수 있고, 1.55㎛의 원격통신 파장에서 큰 상분산을 나타낼 수가 있다. 또한, 비선형성의 증가/감소 및 편광조절 소자 등으로 부각되고 있다. 따라서 이와 같이 많은 기능성을 가지고 있는 광자결정 광섬유에 대한 특성이 속속 보고되면서 가까운 미래에 광자결정 광섬유가 광통신 및 광산업에 광범위하게 적용될 것으로 기대된다.

한편, 다공 광섬유를 제조하기 위한 종래의 기술들은 대개 세공 유리 튜브(capillary glass tube)와 유리 막대(glass rod)를 원하는 형상으로 적재하여(stacking) 묶어서 모재를 제조하며, 이것을 인출하여 광섬유를 제조하고 있다.

그러나 상기 종래의 공법들은 작업자의 수작업에 의해 조립되고 이에 따라 조립과정에서 오염들을 유발시켜 세척 등의 작업을 반복적으로 필요로 한다. 또한 유리튜브 및 막대를 쌓아서(stacking) 묶음(bundle)으로 제작함에 따라 공기구멍의 배열이 대부분 육각형(hexagonal) 모양으로 단순하다. 게다가 다공 구조 광섬유는 모재로부터 광섬유를 인출할 때 광섬유 모재의 안쪽과 바깥쪽의 열전도율 차이로 인해 바깥쪽의 관형 부재들이 녹는 속도가 안쪽의 관형 부재들이 녹는 속도보다 빠르므로, 바깥쪽 공기구멍이 안쪽 공기구멍보다 현저히 작아지거나 막히게 되고, 상대적으로 커진 안쪽 공기구멍은 타원형으로 변형된다. 이와 같이 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출할 때 발생하는 공기구멍의 변형으로 인해, 대량의 다공 구조 광섬유를 연속적으로 생산하는데 어려움이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 다공 광섬유의 오염을 억제하고, 공기구멍을 형성하기 위해 유리 튜브 및 로드를 서로 쌓아서 작업하는 공정상의 복잡함을 해소할 수 있는 다공 광섬유의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 다공 광섬유는 제1 굴절률을 가지며, 길이방향으로 신장된 코어와; 상기 코어를 감싸도록 형성되고, 제2 굴절률을 갖는 외측 클래딩과; 상기 코어와 외측 클래딩 사이에 형성되고, 다수의 공기구멍이 산재되어 제3 굴절률을 갖는 내측 클래딩을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 다수의 공기구멍은 불규칙적으로 산재되어 있음을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 내측 클래딩은 공기구멍과 실리카 유리로 이루어지며, 상기 코어 및 외측 클래딩은 실리카 유리로 이루어짐을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 또는 제3 굴절률 보다 높음을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다공 광섬유(holey fiber)의 제조방법에 있어서,

외측튜브, 내측튜브 및 중심 봉을 구비하는 튜브(tube) 형태의 몰드(mold)를 준비하는 제1 과정과; 상기 외측튜브에 비정질 실리카 입자들이 함유된 슬러리(slurry)를 붇고 젤(gel)화 시켜 외측 클래딩을 형성하는 제2 과정과; 상기 외측 클래딩과 중심 봉 사이에 이후 열처리 공정에 의해 기포를 형성하도록 기포 형성물이 첨가된 실리카 슬러리를 붇고 성형하여 내측 클래딩을 형성하는 제3 과정과; 상기 중심 봉을 제거한 후 중심 봉이 제거된 부분에 코어 물질을 붇고 젤화 시켜 코어를 형성하는 제4 과정과; 상기 제1 내지 제4 과정에 의해 성형된 다공 광섬유용 모재를 열처리하면서 광섬유를 인출하는 제5 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기포 형성물의 첨가량에 의해 상기 다공 광섬유의 광 특성을 조절함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

우선, 본 발명은 기존의 공기구멍들의 규칙적인 배열에 의한 클래드 부분의 수정된 전반사(modified total internal refraction)에 의한 광전송을 탈피하여 동일한 전반사 이론에 의한 광전송이 가능한 구조의 다공 광섬유를 제조하는데 특징이 있는 것이다.

도 2의 (a), (b)는 각각 본 발명에 따른 다공 광섬유의 구조와 굴절률 분포를 나타낸 것이다. 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다공 광섬유(100)는 공기구멍이 없는 실리카 유리로 구성된 외곽 클래딩(101)과, 실리카 유리와 불규칙적으로 산재된 공기구멍으로 구성된 클래딩(102)과, 중심부로서 공기구멍이 없이 실리카 유리로 구성된 코어(103)로 구성된다.

상기 클래딩(102)은 공기구멍이 무작위로 분포되어 있으며, 따라서 광자 밴드갭의 특성을 가지고 있지 않다. 그럼에도 불구하고 클래딩(102) 내에서의 공기구멍의 부피가 상당하기 때문에 평균적일 굴절률은 실리카 봉으로 이루어진 코어(103)에 비하여 낮기 때문에 빛을 코어(103)를 통하여 도파시킬 수 있다(도 2의 (b) 참조). 더욱이, 본 발명에 의한 다공 광섬유(100)는 일반 실리카 광섬유가 가지고 있는 대부분의 필요한 특성을 가지고 있다.

도 3은 본 발명에 적용된 몰드의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도로써, 이를 참조하여 본 발명의 다공 광섬유(100)의 제작과정을 살펴보면 다음과 같다.

상기 구성을 갖는 다공 광섬유(100)를 제작하기 위해서는 3단계의 성형이 필요하다.

먼저, 1단계는 원하는 크기의 튜브(tube) 형태의 몰드(mold)를 준비하고 준비된 몰드 및 그 부속물들을 조립한다. 이때, 내측 튜브(202)의 중심에 봉(rod)(203)이 위치하도록 한다. 그리고 미리 준비된 비정질 실리카 입자들이 함유된 슬러리(slurry)를 몰드에 붇고 젤(gel)화 시켜 최외각층을 형성하는 단계이다. 이때 실리카 함유 슬러리 내에 기포(bubble)가 유입되지 않도록 미리 진공 등을 이용하여 처리한다. 이와 같이 기포가 없는 슬러리를 준비된 몰드에 붇고 젤화한 후 외측튜브(201)를 제거한다.

2단계는, 1단계에서 성형된 최외각층과 중심 봉(rod)(203) 사이에 이후 열처리 공정에 의해 기포를 형성하도록 기포 형성물이 첨가된 실리카 슬러리를 부어 성형하는 단계이다. 상기 기포 형성물로는 유기 발포제 또는 물과 섞이지 않고 유상액(emulsion)을 형성하는 각종 오일류가 가능하고, 첨가량은 전체 실리카 슬러리의 1~50% 정도이다. 즉, 공기구멍을 만들기 위해 준비된 실리카 슬러리에 오일 또는 폴리머 입자들을 넣어 분산시키며, 이들 첨가된 오일 또는 폴리머들은 이후 열처리 공정에서 타서 제거되어 기포를 형성한다.

3단계는 코어부 형성단계로서, 몰드 구성품에서 중심 봉(203)을 제거한 후 1단계와 동일한 실리카 슬러리를 부어 젤화시킨다. 젤화가 완료된 후 몰드 구성품의 튜브에서 젤을 꺼내어 건조시켜 건조젤을 완성시킨다. 실린더 모양으로 성형된 건조 젤을 열처리 및 유리화시켜 공기구멍이 산재된 다공 광섬유를 제작한다. 즉, 광섬유로 인출되기 위해서는 광섬유용 모재를 높은 온도로 가열시켜야 하기 때문에 광섬유 인출 중에 자연적으로 기포가 형성되며, 공기구멍의 밀도는 광섬유 전체에서 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 실리카 분말을 이용하므로 실제적인 모든 형태의 혼합물들이 첨가될 수 있으며, 기존의 다공 광섬유는 공기구멍의 크기, 수 및 배열에 의해 다양한 광 특성을 구현하지만 본 발명에서는 클래딩의 성형시 기포 형성물(기름, 폴리머 등)의 첨가량에 의해 조절할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 광섬유의 제작과정 중, 광섬유의 클래딩에 기포가 형성되도록 함으로써 기존의 다공 광섬유 제작공정에 비해 공정이 용이하다.

또한, 공정 중의 오염이 없는 대형화 모재의 형성이 가능하며, 클래딩의 성형시 첨가되는 기포 형성물의 첨가량에 따라 다양한 광 특성을 구현할 수 있는 이점이 있다.

도 1의 (a), (b)는 각각 일반적인 다공 광섬유의 구조 및 굴절률 분포를 나타낸 도면,

도 2의 (a), (b)는 각각 본 발명에 따른 다공 광섬유의 구조 및 굴절률 분포를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 다공 광섬유를 제조하기 위한 몰드의 구성을 나타낸 도면.

Claims (9)

1. 제1 굴절률을 가지며, 길이방향으로 신장된 코어와;

   상기 코어를 감싸도록 형성되고, 제2 굴절률을 갖는 외측 클래딩과;

   상기 코어와 외측 클래딩 사이에 형성되고, 다수의 공기구멍이 산재되어 제3 굴절률을 갖는 내측 클래딩을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 다공 광섬유.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 공기구멍은 불규칙적으로 산재되어 있음을 특징으로 하는 다공 광섬유.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 내측 클래딩은 공기구멍과 실리카 유리로 이루어짐을 특징으로 하는 다공 광섬유.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코어 및 외측 클래딩은 실리카 유리로 이루어지며, 상기 내측 클래딩은 공기구멍과 실리카 유리로 이루어짐을 특징으로 하는 다공 광섬유.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 또는 제3 굴절률 보다 높음을 특징으로 하는 다공 광섬유.
6. 다공 광섬유(holey fiber)의 제조방법에 있어서,

   외측튜브, 내측튜브 및 중심 봉을 구비하는 튜브(tube) 형태의 몰드(mold)를 준비하는 제1 과정과;

   상기 외측튜브에 비정질 실리카 입자들이 함유된 슬러리(slurry)를 붇고 젤(gel)화 시켜 외측 클래딩을 형성하는 제2 과정과;

   상기 외측 클래딩과 중심 봉 사이에 이후 열처리 공정에 의해 기포를 형성하도록 기포 형성물이 첨가된 실리카 슬러리를 붇고 성형하여 내측 클래딩을 형성하는 제3 과정과;

   상기 중심 봉을 제거한 후 중심 봉이 제거된 부분에 코어 물질을 붇고 젤화 시켜 코어를 형성하는 제4 과정과;

   상기 제1 내지 제4 과정에 의해 성형된 다공 광섬유용 모재를 열처리하면서 광섬유를 인출하는 제5 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공 광섬유의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 기포 형성물의 첨가량에 의해 상기 다공 광섬유의 광 특성을 조절함을 특징으로 하는 다공 광섬유의 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제3 과정의 기포 형성물은 유기 발포제 또는 물과 섞이지 않고 유상액(emulsion)을 형성하는 각종 오일류를 포함함을 특징으로 하는 다공 광섬유의 제조방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 제4 과정의 코어 물질은

   상기 제2 과정의 외측 클래딩 형성 물질과 동일함을 특징으로 하는 다공 광섬유의 제조방법.