KR20070016699A - 포토닉 크리스탈 광섬유 제조 방법 - Google Patents

포토닉 크리스탈 광섬유 제조 방법 Download PDF

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Abstract

보다 안전하며 효율적으로 포토닉 크리스탈 광섬유를 제조할 수 있는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 광섬유 제조 방법은, 코어를 중심으로 다수의 클래딩 유닛을 적층하는 단계, 코어와 적층된 클래딩 유닛을 외장 튜브에 삽입하는 단계, 코어, 적층된 클래딩 유닛 및 외장 튜브를 함께 회전시키면서 열처리하여 코어, 클래딩 유닛 및 외장 튜브를 융착시켜 광섬유 모재를 형성하는 단계, 그리고 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출하는 단계를 포함한다.
광섬유, 모재, 융착, 외장 튜브, 삽입

Description

포토닉 크리스탈 광섬유 제조 방법{FABRICATION METHOD OF PHOTONIC CRYSTAL FIBER}
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 크리스탈 광섬유 제조 과정을 보이는 예시도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 크리스탈 광섬유 제조 과정을 보이는 사진.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 포토닉 크리스탈 광섬유의 단면을 보이는 사진.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
4: 클래딩 유닛 5: 코어
10: 고정재 15: 고정핀
30: 외장 튜브
본 발명은 광섬유 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토닉 크리스탈 광섬유 제조 방법에 관한 것이다.
포토닉 크리스탈 광섬유는 광섬유의 특별한 한 형태이다. 일반 광섬유는 굴절률이 높은 코어와 굴절률이 낮은 클래딩으로 이루어져 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이에 기인한 전반사에 의해 광신호를 전달한다. 일반 광섬유와 달리, 포토닉 크리스탈 광섬유는 광섬유의 중심에 위치하는 코어와 코어 주변에 균일하게 마련된 공기층으로 이루어져 코어와 공기층 사이의 밴드갭 효과에 의해 광신호를 전달한다. 포토닉 크리스탈 광섬유는 매우 광범위한 파장에 걸쳐 광을 단일 모드로 도파하는 뛰어난 특성을 가져 많은 양의 데이터를 전송할 수 있으며 사용이 간편하다. 이러한 장점을 갖는 포토닉 크리스탈 광섬유는, 원격통신, 레이저 기계가공(Machining), 용접, 레이저광 전달, 광섬유 레이저 센서, 의학적 진단 및 외과적 수술을 포함한 다양한 분야에 응용될 수 있다.
포토닉 크리스탈 광섬유는 투명한 실리카와 그 내부에 주기적으로 삽입되어 축방향으로 평행하게 연장되는 공기 홀로 이루어진다.
포토닉 크리스탈 광섬유는 다이아몬드 드릴(drill)로 실리카 막대(rod)에 구멍을 뚫어 형성하기도 한다. 그러나, 이 방법은 제조 시간이 많이 소요되고 위험하다. 아울러, 다이아몬드 드릴로 형성함에 따라 구멍의 표면이 거칠어지고, 광섬유의 손실이 증가될 수 있을 뿐만 아니라 뚫을 수 있는 구멍의 크기가 한정되어 있고 제조 비용이 높은 단점이 있다.
한편, 소정의 형상으로 적층된 다수의 케인(canes) 또는 모세 튜브(capillary tubes)를 고정된 상태에서 융합시키면서 하방으로 인출하여 포토닉 크리스탈 광섬유를 제조할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 하방 인출 과정에서 광섬유가 손상을 받는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 보다 안전하며 효율적으로 포토닉 크리스탈 광섬유를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 광섬유 제조 방법은, 코어를 중심으로 다수의 클래딩 유닛을 적층하는 단계; 상기 코어와 상기 적층된 클래딩 유닛을 외장 튜브에 삽입하는 단계; 상기 코어, 상기 적층된 클래딩 유닛 및 상기 외장 튜브를 함께 회전하면서 열처리하여, 상기 코어, 상기 클래딩 유닛 및 상기 외장 튜브를 융착시켜 광섬유 모재를 형성하는 단계; 및 상기 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실리카를 기반으로 하는 포토닉 크리스탈 광섬유 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 1a에 보이는 바와 같이 코어(5)를 중심으로 다수의 클래딩 유닛(cladding unit, 4), 예로써, 외경이 3 ㎜인 실리카 모세관(silica capillary tube)을 엇갈리게 적층하여 포토닉 크리스탈 구조를 형성한다. 상기 클래딩 유닛은 실리카 모세관 이외에도 게르마늄, 붕소, 어븀, 이토븀 등이 도핑된 실리카 막대(rod), 플루오르화(fluoride) 유리 막대, 비스무스(bismuth) 유리 막대 등 실리카와 굴절률이 다른 유리 막대 등으로 이루어질 수 있다. 아울러, 코어(4)에 인접하 는 최내각 글래딩 영역(Cin)과 그 외의 클래딩 영역 즉, 코어(4) 외곽의 클래딩 영역에는 다른 크기의 반지름을 갖는 클래딩 유닛(4)을 적층할 수 있다. 예들 들어, 최내각 클래딩 영역(Cin)에는 상대적으로 반지름이 작은 클래딩 유닛을 적층하고, 외곽 클래딩 영역에는 반지름이 큰 클래딩 유닛을 적층할 수 있다.
상기 코어(5)는 실리카 모세관, 실리카 막대 또는 실리카와 굴절률이 다른 막대로 이루어질 수 있다. 상기 실리카와 굴절률이 다른 실리카 막대는 그 중심부에 게르마늄, 붕소, 어븀, 이토븀 등이 도핑된 것일 수 있다. 상기 코어(5)와 상기 클래딩 유닛(4)의 크기는 다를 수 있다.
바람직하게 상기 클래딩 유닛은 육각형 구조로 적층하며, 이웃하는 클래딩 유닛 사이에 최대한 빈 공간이 없도록 클래딩 유닛을 적층한다. 클래딩 유닛들 사이의 빈 공간에 알맞은 크기의 실리카 막대들을 적층하여 빈 공간을 최소화시킬 수도 있다.
다음으로 도 1b에 보이는 바와 같이, 코어(5)를 중심으로 적층된 클래딩 유닛(4)의 단부를 고정하여 적층 구조를 유지시킨다. 이때, 적어도 한 단부를 고정하거나, 도 1b에 보이는 바와 같이 적층된 클래딩 유닛(4)의 양단부를 고정할 수 있다. 단부 고정재(10)는 2000 ℃ 정도의 높은 온도에서 견딜 수 있는 니크롬선 또는 철사를 이용할 수 있다. 또한, 가는 광섬유를 이용하여 단부를 고정할 수도 있다. 이 경우, 광섬유를 열처리로 녹여서 코어(5) 상에 적층된 클래딩 유닛(4)을 고정시킨다.
다음으로, 도 1c에 보이는 바와 같이 코어(4)와 적층된 클래딩 유닛(4)을 외장 튜브(40) 내에 삽입한다. 상기 외장 튜브(30)로써 실리카 튜브(silica tube)를 이용한다. 이어서, 상기 외장 튜브(30)와 적층된 클래딩 유닛(4) 사이에 고정핀(15)을 삽입하여 적층된 클래딩 유닛(4)을 외장 튜브(30)에 고정시킨다. 상기 고정핀(15)은 적어도 하나 삽입될 수 있다. 아울러, 도 1c에 보이는 바와 같이 4개의 고정핀(15)을 대칭적으로 삽입하여 적층된 클래딩 유닛(4)을 외장 튜브(30)의 중앙에 위치시킬 수도 있다. 클래딩 유닛(4)과 외장 튜브(30) 사이의 공간이 좁을 경우에는 고정핀(15)을 한쪽에만 삽입하여 적층된 클래딩 유닛(4)을 외장 튜브(30) 내의 한쪽으로 치우쳐 고정시킬 수 도 있다. 상기 고정핀(15)은 실리카 막대 또는 철사 등을 이용한다. 또한, 고정핀(15)과 고정핀은 서로 연결될 수 있다. 한편, 적층된 클래딩 유닛(4)과 외장 튜브(30)의 내경이 서로 맞아서 고정이 될 경우, 상기 고정핀(15)을 이용한 고정은 생략될 수 있다.
이와 같이 외장 튜브(30) 내에 적층된 클래딩 유닛(4)을 고정시킴으로써 이후, 열처리 과정에서 외장 튜브(30), 적층된 클래딩 유닛(4) 및 코어(5)를 함께 회전시킬 수 있다.
다음으로, 그 내부에 코어(4)와 적층된 클래딩 유닛(3)이 삽입 및 고정되어 있는 외장 튜브(4)를 회전시키면서 높은 열을 가하여 코어(4)와 클래딩 유닛(3), 클래딩 유닛(3) 상호간, 클래딩 유닛(3)과 외장 튜브(30)가 열수축(collapsing) 되면서 융착 되도록 한다. 이때 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition) 공정을 통하여 열을 가할 수 있다.
이와 같은 융착에 의해 외장 튜브(30)의 모양이 적층된 클래딩 유닛(4)과 동일한 형상, 예를 들어 육각형의 구조를 갖게 된다. 아울러, 내부의 크래딩 유닛들과 외장 튜브가 완전히 융착이 되어 외부에서 힘을 인가하더라도 포토닉 크리스탈 구조를 유지시킬 수 있다.
전술한 과정에 따라 광섬유 모재(preform)가 형성된다. 이후, 모재를 가열하여 온도가 2000 ℃ 정도에 달하면 모재의 꼭지가 연화되기 시작하고, 사간이 자님에 따라 중력에 의해 연화된 부분이 늘어지면서 가느다란 광섬유가 얻어진다.
첨부된 도면 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 크리스탈 광섬유 제조 과정을 보이는 사진이다.
도 2a 및 도 2b는 코어(5) 상에 육각형으로 적층된 클래딩 유닛(4)이 외장 튜브(30) 내에 삽입된 상태를 보이는 단면 및 측면 사진이다.
도 2c는 고정핀(15)으로 코어(5) 및 적층된 클래딩 유닛(4)을 외장 튜브(30)에 고정시킨 후 MCVD 공정을 실시한 상태를 보이는 사진이다. 열수축 과정을 거치면서 도 2c에 보이는 바와 같이 화살표가 가르키는 지점부터 수축이 진행되어 외장 튜브(30)가 클래딩 유닛(4)과 동일한 육각형의 구조를 갖게 된다.
도 2d는 본 발명에 따른 포토닉 크리스탈 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출(drawing) 한 후의 모재를 보이는 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 포토닉 크리스탈 광섬유의 단면을 보이는 사진이다.
본 발명에 따라 빠른 시간 내에 효과적으로 포토닉 크리스탈 광섬유를 안전하게 제조할 수 있다. 이에 따라, 대량의 광섬유를 낮은 제조 단가로 생산할 수 있다. 아울러, 클래딩 유닛의 형상, 배치 형태, 간격, 외주 튜브의 형상에 따라 다양한 형태의 광섬유를 제조할 수 있다.

Claims (9)

  1. 광섬유 제조 방법에 있어서,
    a) 코어를 중심으로 다수의 클래딩 유닛을 적층하는 단계;
    b) 상기 코어와 상기 적층된 클래딩 유닛을 외장 튜브에 삽입하는 단계;
    c) 상기 코어, 상기 적층된 클래딩 유닛 및 상기 외장 튜브를 함께 회전하면서 열처리하여, 상기 코어, 상기 클래딩 유닛 및 상기 외장 튜브를 융착시켜 광섬유 모재를 형성하는 단계; 및
    d) 상기 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출하는 단계를 포함하는 광섬유 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 a) 후,
    상기 적층된 클래딩 유닛의 적어도 일단부를 고정하는 단계를 더 포함하는 광섬유 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 b) 후,
    상기 적층된 클래딩 유닛과 상기 외장 튜브 사이에 고정핀을 삽입하여 상기 클래딩 유닛을 상기 외장 튜브에 고정시키는 단계를 더 포함하는 광섬유 제조 방 법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 a)에서,
    이웃하는 클래딩 유닛 사이에 막대를 적층하는 광섬유 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클래딩 유닛은 실리카 모세관 및 실리카와 굴절률이 다른 유리 막대 중 어느 하나로 이루어지는 광섬유 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 실리카와 굴절률이 다른 유리 막대는 게르마늄, 붕소, 어븀 또는 이토븀이 도핑된 실리카 막대, 플루오르화(fluoride) 유리 막대 및 비스무스(bismuth) 유리 막대를 포함하는 광섬유 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 코어는 실리카 모세관, 실리카 막대 및 실리카와 굴절률이 다른 유리 막대 중 어느 하나로 이루어지는 광섬유 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 실리카와 굴절률이 다른 유리 막대는 게르마늄, 붕소, 어븀 또는 이토븀이 도핑된 실리카 막대, 플루오르화(fluoride) 유리 막대 및 비스무스(bismuth) 유리 막대를 포함하는 광섬유 제조 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 외장 튜브는 실리카 튜브로 이루어지는 광섬유 제조 방법.
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