KR20070038978A - 광섬유 제조를 위한 유리 수트의 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

광섬유 예비성형체를 제조하기 위한 유리 수트(soot)의 증착방법이 제공된다. 연료 및 유리 전구체가 유리 목적물 중심관상에 증착되는 유리 수트를 형성하는 버너화염으로 유입된다. 900K(627℃)이하의 낮은 온도에서, 낮은 버너화염 속도 또는 낮은 총 질량 유량비로 특정 두께의 유리 수트 절연층을 제 1 증착함에 의하여, 상기 유리 목적물의 표면으로 흡수될 수 있는 수분의 양이 0.1wt ppm OH농도 이하로 줄어들 수 있게 된다. 그 후에, 상기 화염속도가 상기 유리 목적물로 포함되는 수분 농도의 현저한 증가없이 유리 수트의 증착율을 증가시키기 위하여 증대될 수 있다.
광섬유, 증착, 예비성형체, 포락선, 화염속도

Description

광섬유 제조를 위한 유리 수트의 증착 방법{Method of depositing glass soot for making an optical glass}
본 발명은 광섬유 예비성형체를 형성하기 위한 유리 수트를 증착하는 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 유리 수트 버너의 발화속도를 변화시키는 방법에 관한 것이다.
광섬유 내의 수분은 상기 섬유를 따라 바람직하지 않은 광신호의 감쇄의 원인이 된다. 여기서 사용되는 수분은 H2O, OH, 또는 H분자가 포함된다. 실리카(SiO2)는 1380㎚에서 강하게 광을 흡수하며 상기에서 언급한 감쇄의 원인이 되는 SiOH를 형성하는 수분의 상기 형태(H2O, OH, 또는 H) 중 하나와 반응할 수 있다. 상기 광섬유에서 SiOH군은 1310㎚창(window)에서 작용하는 광섬유의 감쇄이행을 저하시킬 뿐 아니라, 1550㎚ 길이의 파장에서 작용하는 광섬유의 감쇄를 증가시킬 수 있다.
상기 광섬유로부터 수분을 제거하기 위한 종전의 시도는 예비성형체를 고화(consolidating)하기 전에 할라이드 가스(예를 들어, 염소가스)와 함께 상기 광섬유 예비성형체의 수트 영역을 건조시키고, 상기 고화된 예비성형체로부터 상기 광섬유를 연신하는 것을 포함한다. 일반적으로, 상기 언급한 건조공정은 약 800 내지 1200℃의 온도에서 수행된다. 상기 할라이드 가스는 상기 예비성형체의 외부 표면뿐 아니라, 상기 예비성형체의 수트 중앙선(soot centerline) 모두에 노출될 수 있다.
그러나 복합단계 공정을 사용하는 분할된(segmented) 코어 섬유를 제조하는 동안에, 일부 분위기 하에서 상기 언급된 건조 공정은 용인될 수 있는 수준으로 상기 예비성형체의 고형화된 유리영역에서 SiOH 농도를 감소시키는데 불충분할 수 있다.
외부 증기 증착공정(OVD)과 같은 현대의 통상적인 광섬유 제조공정에 있어서, 광섬유는 일차의 중심관(core cane)을 형성함으로써 제조될 수 있다. 중심관이라는 것은 광섬유 전구체인 고체 유리막대(glass rod)를 의미하는 것으로, 상기 중심관으로부터 결국에는 연신되는 광섬유에 대한 중심 유리의 적어도 일부를 포함한다. 일부 경우에 있어서 상기 중심관은 그러한 광섬유에 대한 클래딩(cladding)유리의 적어도 일부를 포함한다. 연속적인 공정에서, 부가 유리(additional glass)는 연신 예비성형체를 형성하기 위하여 상기 중심관상에 형성된다. 그러한 부가 유리는 부가 중심 유리, 클래딩 유리, 또는 중심 및 클래딩 유리 둘 다를 포함할 수 있다. 상기 연신 예비 성형체는 그 다음 광섬유로 연신될 수 있다. 복합 단계 제조 공정은 바람직하게 중요한 제조 유연성을 제공하는데, 중심관이 복합 광섬유 디자인에 대한 기초를 형성할 수 있다는 것과 필요로 하는 한 연속적 사용에 대하여 용이하게 공급될 수 있다는 것이다. 상기 부가 유리는 상기 중심관 상의 하나 또는 그 이상의 유리관을 가열 및 파괴함으로써, 상기 중심관에서 유리 수트를 증착하고 상기 유리 수트를 고형화(consolidation)하거나, 또는 슬리빙 및 증착/고형화 둘 다에 의하여, 상기 중심관상에 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 부가 유리는 부가 중심 유리, 클래딩 유리, 또는 중심 및 클래딩 유리 둘 다를 포함할 수 있다.
증착이 광섬유 예비성형체의 중심영역 내부에 또는 인접영역에 유리를 부가하기 위하여 사용되는 경우에, 상기 수트의 부가 층(additional layer)은 복합 중심 분절(segment)을 형성한다. 상기 분절의 내화도(refractive index)는 각 분절 내에서 달라지거나, 상기 내화도는 하나의 분절과 다른 분절간 다를 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같은 복합 단계 공정은, 특히 그러한 중심 광섬유의 제조에 적합하고, 미국 특허 제 4,453,961호에 기술되어 있다.
광섬유 예비성형체의 중심 영역의 재침수(rewetting)는 증착공정 동안에 수소 함유 연료의 발화를 사용하는 경우의 낮은 광섬유 손실의 제조에 중요한 고려사항이다. 재침수는, 한정되는 것은 아니나, 분절된 중심 광섬유를 공함하는 복합 단계 공정으로 제조되는 광섬유의 제조에 있어 특히 다루기 힘든 문제이다. 복합 단계 공정이라 함은 광섬유 예비성형체를 제조하는 공정으로, 여기서 유리 막대, 또는 중심관은 통상적인 공정으로 일차로 제조되며, 중심관은 중심의 다음 분절, 또는 선택적으로 상기 중심관상에 증착될 수 있는 클래딩 수트를 형성하는 유리수트의 연속적인 증착을 위한 목적물 막대(target rod)로서 작용한다. 왜냐하면 단일모드 광섬유에서 광출력(optical power)의 주된 부분은 상기 광섬유의 중심영역내로 움직이고, 그러한 출력의 분배는 상기 중심(core) 영역의 중앙(center)을 향하여 심하게 가중되며, 발단 유리 중심 막대(initial glass core rod)의 재침수는 특히 높은 광출력 수준을 가진 광섬유의 영역에서 수분의 높은 농도가 위치함으로써 광섬유의 감쇄에 영향을 미치기 때문이다. 상기 중심관상에 유리 수트의 증착에 의한 상기 중심관의 재침수는 결과물 광섬유의 광 손실의 현저한 증가를 가져온다. 광 손실 또는 감쇄를 최소화하기 위하여, 광섬유에서는, 상기 유리 중심관의 표면에 흡수되는 OH의 양을 최소화시키는 것이 바람직하다. 유리에서의 OH양은 푸리에 변환 적외선 분광기(Fourier Transform Infrared Spectroscopy: FTIR)를 사용한 유리 막대의 반지름을 가로지르는 복수의 지점에서 OH 농도를 측정함으로써 규정될 수 있다. FTIR에 의한 유리에서의 상기 OH농도의 측정은 잘 알려져 있다. 광섬유에서의 OH성분의 영향이 상기 유리 표면이나 경계면에 존재하는 OH의 피크량(peak amount)뿐 아니라, OH농도의 방사상 확장의 작용임을 주지하여야 한다. 따라서 이하에서 사용되는 표면 또는 경계면의 용어는 유리 목적물, 또는 중심관의 최외측 표면으로부터 약 100㎛ 연장된 영역을 의미하는 것이다.
놀랍게도, 상기 유리 막대 상에 수트의 증착하는 과정 동안 유리-수트 경계면에서의 수증기의 농도가 중요할 것임에도 불구하고, 유리로 흡수되는 수분의 양에 대하여 가장 큰 영향을 미치는 것은 유리 표면의 온도이다. 따라서, 유리 표면온도를 조절하는 것이 증착 공정 동안 주요한 고려대상이 된다. 또한 본 발명자들은 유리 수트의 낮은 열 전도율에 기인하여, 상기 중심관의 표면상에 증착된 유리 수트의 상대적으로 얇은 층은 상기 중심관을 절연시킬 수 있고, 그에 따라 상기 중심관의 표면온도를 감소시키고, 중심관으로의 수분 흡수율을 제한할 수 있다는 것 을 밝혀내었다.
광섬유 예비성형체의 제조비용을 줄이는 데 이용할 수 있는 한가지 방법은 유리수트의 증착율(deposition rate)을 증가시키는 것이다. 증대된 증착율의 달성은 복합 수트-제조 버너의 광범위한 사용을 이끈다.
유리 수트 증착을 위한 복합 버너의 사용이 증착율의 만족스러운 증가를 가져오더라도, 상기 유리 중심관의 표면에서 발생하는 고열은 바람직하지 않게도 유리내부로 흡수되는 수분의 양을 증가시킬 수 있다. 복합 버너 증착이 전형적으로 유사한 화염온도를 사용하더라도, 단일 버너 증착은 복합-버너 증착보다 낮은 표면 온도를 발생시키는 경향이 있다. 단일 버너 화염이 유리막대의 길이를 통과하면서, 버너 화염에 인접한 상기 막대의 국한된 표면은 상기 화염이 통과되는 시간 동안 냉각되게 된다. 냉각은 상기 중심관의 표면으로의 수분 흡수를 감소시킨다. 버너와 중심관 사이의 서로 상대적인 움직임은 주기적인 가열과 냉각 사이클을 형성하고 이는 시간 작용으로서 상기 유리막대의 전체적인 온도를 대표하는 포락선(envelope)을 형성한다. 단일 버너 증착 공정에 대한 온도 포락선은 통상 복합 버너 증착공정에 대한 온도 포락선보다 낮다.
상기에서 개시한 바와 같이 유리 수트의 하나 또는 그 이상의 층이 유리 중심관상에 증착되는, 복합 단계 제조 공정으로부터 제조된 광섬유에서 수분의 중요한 원천은 예비성형체를 건조시키고 고형화하기 위한 연속적 단계 동안 광섬유 예비성형체 조성물의 수트 영역의 불완전한 건조에 기인한다고 종래 여겨져 왔다. 이러한 잔존 수분이 고형화 열처리동안 예비성형체의 중심 영역으로 확산되는 것이라 고 믿어졌다. 그러나, 본 발명자들은 유리수트의 연속 증착과정 동안 상기 유리 중심관에 함유되는 수분의 중요한 원천이 상기 유리 수트 전구체를 가수분해하는 대 전형적으로 사용되는 수소-기반 연료의 산화에 기인한다는 것을 밝혀냈다. 따라서 상기 수분은 중심관의 표면에 그 후 증착될 수 있다. 게다가, 본 발명자들은 상기 중심관의 재침수를 가져오는, 중심관으로의 수분흡수가 중심관상의 수트의 증착과정 동안 특정 공정 파라미터에 의존한다는 것을 알게 되었다. 특히, 중심관의 다양한 영역에서의 국한된 온도 및 특정 온도에서 이러한 국한된 영역에 머무는 시간이 흡수될 수 있는 수분의 양에 중요한 역할을 한다. 이러한 방식으로 중심관에 흡수될 수 있는 수분은 예비 성형체의 건조단계 또는 고형화단계 동안 예비성형체로부터 적절히 제거되지 않을 수 있고, 따라서 연신된 광섬유에 잔존할 수 있다. 흡수된 수분은 실리카와 반응하여 SiOH를 형성하고, 이는 약 1380㎚에서 광대역(broadband)흡수를 가지고, 대신 전기통신 산업 내에서 사용되는 작동 파장영역 또는 창에서의 감쇄를 증대시키는 결과를 가져올 수 있다.
요약
본 발명의 일 측면에서, 유리 수트 증착의 방법은, 연료 및 유리 전구체를 상기 연료의 질량 유량비와 상기 유리 전구체의 질량 유량비의 합인 총질량 유량비(total mass flow rate)로 버너 화염에 흘려주는 단계와 중심관(core cane)상에 제 1 총질량 유량비로 제 1유리 수트 층을 증착시키는 단계 및 광섬유 전구체를 형성하기 위하여 제 2 총질량 유량비로 상기 제 1유리 수트 층의 상부에 제 2 유리 수트층을 증착시키는 단계를 포함하여 제안되며, 여기서 상기 제 2 총질량 유량비는 상기 제 1 총질량 유량비보다 크다.
일 실시예에서, 유리 수트의 상기 제 1층의 두께는 바람직하게 약 20㎚미만이고, 더욱 바람직하게는 10㎚미만이다. 바람직하게는, 상기 중심관과 제 1 유리수트층 사이의 경계면에서의 온도는 약 900K(627℃)를 초과하지 않으며, 보다 바람직하게는 상기 중심관과 제 1 유리수트층 사이의 경계면에서의 온도는 약 800K(527℃)를 초과하지 않는다.
본 발명의 다른 측면에서, 광섬유 예비성형체의 제조방법은 화염속도(flame velocity)를 갖는 버너 불꽃에서 유리수트를 형성시키는 단계와, 제 1 화염속도에서 중심관상에 제 1 유리 수트 층을 증착시키는 단계 및 광섬유 전구체를 형성하기 위하여 제 2 화염속도에서 상기 제 1 유리 수트 층의 상부에 제 2 유리 수트 층을 증착시키는 단계를 포함하며, 상기 제 2 화염속도는 상기 제 1 화염속도보다 크다.
일실시예에 있어, 상기 제 1 유리 수트층의 두께는 약 20㎜미만이고, 보다 바람직하게는 10㎚미만이다. 바람직하게는 상기 중심관과 제 1 유리수트층 사이의 경계면에서의 온도는 약 900K(627℃)를 초과하지 않으며, 보다 바람직하게는 상기 중심관과 제 1 유리수트층 사이의 경계면에서의 온도는 약 800K(527℃)를 초과하지 않는다. 상기 제 1화염 속도는 바람직하게는 12㎧이하이고, 보다 바람직하게는 5㎧이다. 상기 제 2 화염속도는 바람직하게는 약 12㎧보다 크다. 또 다른 실시예에서, 복수 개의 버너화염은 제 1화염 속도를 가지는 제 1버너 화염 및 제 2화염 속도를 가지는 제 2버너 화염이 포함되어 사용된다. 유리수트의 제 2층을 증착하는 단계는 상기 버너 화염에 대한 반응물의 총질량 유량비를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 광섬유 전구제가 광섬유 예비성형체를 형성하기 위하여 고형화되는 경우, 상기 광섬유 예비성형체는 바람직하게 약 0.1ppmOH 미만을 포함한다. 상기 광섬유 전구체로부터 연신된 광섬유는 바람직하게 약 0.1ppmOH 미만을 포함한다.
본 발명의 부대적 특성 및 이점은 하기의 상세한 설명에서 개시될 것이며, 여기에 개시되는 바와 같이 본 발명이 속하는 기술의 당업자는 본 발명의 상세한 설명 및 청구범위 및 이어지는 도면에 의하여 용이하게 이해될 것이다.
상기의 일반적인 기술 및 하기의 상세한 설명은 본 발명의 다양한 실시예를 제공하며, 청구된 바와 같은 본 발명의 본질과 특성을 이해하는데 개관 또는 골자를 제공하려는 의도임을 이해하여야 한다. 첨부되는 도면은 본 발명의 보다 자세한 이해를 제공하며, 본 명세서의 일부분을 구성하며 포함된다. 상기 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 나타내며, 본 발명에 대한 원리 및 작용을 설명하는 역할을 하게 된다.
본 발명자들은 수트 증착버너로부터 유리 수트를 증착하는 동안, 광섬유 중심관과 같은, 유리 목적물속으로 확산될 수 있는 수분의 양이, 유리 목적물-수트 경계면에서 버너에 의하여 증착되는 수분의 양, 존재하는 수분의 농도 및 유리 목적물 표면의 표면 온도에 의존한다는 것을 발견하였다. 상기 유리 표면은 상기 목적물인 고체 유리 및 증착된 수트 사이의 경계로부터 약 100㎛의 깊이까지 연장된 유리 목적물의 영역일 것으로 여겨진다. 상기 유리-슈트 경계면에서 유리표면의 온도는, 무엇보다도, 버너 외면(face)에 수직한 방향에서의 버너 화염의 속도에 영향을 받을 수 있다. 도 1은 버너 화염속도를 변화시킨 결과로서 원통모양의 유리 목적물 표면에 대한 계산된 온도 포락선(包絡線:envelope)를 보이고 있다. 4개의 실시예, 즉 5㎧(20), 10㎧(22), 20㎧(24) 및 30㎧(26)가 보여지고 있다. 상기 버너 화염은 사이클 당 60초의 비율로 상기 유리 표면을 상호적으로(reciprocally) 횡단하는 것으로 여겨진다(즉, 그 시간은 주어진 위치로 돌아오는 버너에 대하여 걸리는 시간이다). 상기 포락선은 버너 화염이 상기 유리 표면을 따라 주어진 위치에 통과하고 회귀하면서 상기 유리 목적물 표면이 겪는 가열 및 냉각 사이클에 대한 결과로서 형성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 4개의 포락선의 어느 하나를 따라 주어진 어느 지점에서 최대 온도는 유리 수트가 증착됨에 따라 감소한다. 유리 수트의 두께가 증대됨에 따라, 즉 증착 공정이 시간을 초과하여 진행됨에 따라, 상기 버너 화염으로부터 유리 목적물의 표면으로 전이되는 열의 양은 감소된다.
도 1은 또한 버너 화염 속도가 증대될수록, 그렇게 증착율이 너무 되어서, 수트의 이상적인 양을 증착하는데 필요한 시간에 의하여 증명되는 바와 같이, 5㎧의 화염에 대하여 40,000 초인 것에 비하여, 30㎧의 화염은 대략 20,000초 내에 증착이 완료되는 것을 또한 보여주고 있다. 그렇지만, 화염속도가 증가하면, 상기 목적물의 표면 온도 또한 증가한다. 예를 들어, 5㎧의 화염속도에 대한 유리 표면의 최대 표면 온도는 단지 약 730K으로 계산되나, 30㎧의 화염속도에서 유리 표면의 최대 표면온도는 거의 1070K로 계산된다.
전체적으로 높은 증착율(deposition rate)를 달성하기 위한 제조 전망은 바람직하다. 그러나 최종 유리 내에 함유되는 OH의 양은 최종 광섬유에서 낮은 감쇄를 확보하기 위하여 줄이는 것이 또한 바람직하다.
도 2는 도 1 및 2의 다공성 수트 블랭크(blank), 또는 예비성형체의 계산된 표면 온도 포락선을 보여주고 있으며, 도 1에 대비하여, 수트의 표면온도가 유리 목적물의 표면, 예를 들어, 중심관-수트 경계면에서의 온도와 어떻게 관계되는지 보여주는데 이용될 수 있다. 도 1에서와 같이, 도 2에서의 각 커브는 화염이 상기 예비 성형체를 가로지르면서 상기 표면을 가열 및 냉각되는 것을 기술하는 포락선을 형성한다. 도 2에서, 커브 28은 5㎧의 버너 화염속도에 관한 온도를 나타내고, 30은 10㎧의 속도, 32는 20㎧의 속도, 그리고 34는 30㎧의 속도에 관한 온도를 나타낸다.
화염 속도의 작용으로서, 도 1,2의 상기 유리 목적물의 표면에 방사상으로 흠수되어 있는 것으로 계산된 OH의 양은 도 3에서 도시되었다. 즉, 커브 36은 5㎧의 화염속도에 대한 중심관의 표면으로 흡수되어 있는 것으로 계산된 OH의 양을 나타내고, 10㎧에 대한 것은 38, 20㎧에 대한 것은 40, 그리고 30㎧에 대한 것은 42로 나타난다. 상기 버너 조건은 앞서 기술된 조건(즉, 60초/사이클)과 동등한 것으로 여겨진다. 도 3에서 개시된 것과 같이 유리 목적물 표면은 4000㎛의 반경에 해당하는 극 우축(far right axis)이다. 본 명세서에 걸쳐 사용되는 화염속도는 다양한 성분이 흘러가는 버너 외면(face)에서 버너 화염으로 흐르는 성분 요소, 또는 반응물의 총 질량 유량비(mt)를 노즐의 총 단면적(at)으로 나눈 것으로 정의된다. 도 3은 화염 속도가 감소하면, 상기 유리 표면으로 흡수되는 수분의 양 또한 감소함을 보여준다.
따라서, 도 1 내지 3을 요약하면, 높은 화염속도가 더욱 빠른 증착 공정을 이룰 수 있더라도, 수트 증착 버너에 대한 화염속도의 감소는 증착 표면에 대한 감소된 표면 온도를 만들고, 그에 따라 증착 표면으로 흡수되는 수분의 양을 감소시킬 수 있다. 만일 유리 수트 절연층이 낮은 화염속도 및 그에 따른 낮은 표면 온도에서 유리 목적물 상에 제 1 증착되면, 상기 유리 목적물속으로 흡수될 수 있는 수분(즉, OH)의 양은 현저히 감소될 수 있다. 화염 속도, 및 그에 따른 증착율은, 유리 목적물에 흡수되는 수분의 양 및 유리-수트 경계면에서의 표면 온도를 현저히 증가 시킴이 없이 증착율을 증가시키기 위해 그에 따라 증대될 수 있다.
도 4는 실험예의 버너 외면(44)를 도시한 것이다. 버너 외면(44)은 일반적으로 참고 번호 46으로 지정되고, 동심환(concentric ring)으로 배열된 복합 노즐을 보여준다. 도 4의 실험예의 버너 외면에서 노즐의 각 환(ring)은 상이한 반응물이 통과할 것이다. 예를 들어, 하나의 노즐 세트는 상기 노즐을 통하여 일질량의 유량비(m1)으로, 단지 하나의, 산소와 같은 가스 흐름을 가질 것이다. 다른 노즐은, 예를 들어, m2의 질량 유량비로 노즐을 통하는 연료가스 및 산소 흐름의 혼합물을 가질 것이다. 또한 또 다른 노즐은 m3의 질량 유량비로 상기 노즐을 통하여 하나 또는 그 이상의 유리 전구체 흐름을 가질 것이다. 상기 버너 화염으로 흐르는 총질량 유량비는 각 노즐의 개별 질량 유량비의 총합, 즉 mt= m1+ m2+ m3+..이다. 각 노즐은 특정한 단면적, 및 누가적인(cumulative), 또는 버너의 총 노즐 단면적을 포함하는 모든 노즐의 총 단면적을 가진다. 도 4에서 표현된 상기 버너 외면은 환(ring)으로 분류(grouping)된 노즐을 도시하고 있으나, 기타 노즐 디자인은 본 발명의 범주에 속하며 도 4는 이러한 관점에서 한정되는 것으로 고려되어야 한다. 예를 들어, 상기 버너 노즐은 동심의 환상(concentric annular) 노즐이다.
도 1 내지 3에서 실증되는 바와 같이, 상기 유리 목적물 표면의 온도, 및 그에 따른 유리 목적물 표면으로 흡수된 수분의 양은, 수트 증착 버너의 화염 속도의 변화시킴에 의하여 증가되거나 또는 감소된다. 도 1 내지 3은 또한 주어진 화염 속도에 대한 상기 유리 수트의 표면 온도가 절연 유리 수트의 두께가 증가됨에 따라 감소됨을 보여준다. 유리 수트의 절연 층(insulating layer)의 증착은 따라서 유리 목적물의 표면을 상기 유리 목적물의 표면온도의 제한에 의하여 수분의 초과 흡수로부터 방지할 수 있다. 본 발명자들은 유리 수트의 절연층이 낮은 화염 속도 및 그에 따른 낮은 유리 목적물 표면 온도에서 증착될 수 있다면, 상기 유리 목적물로 흡수된 수분의 양, 및 그에 따라 수분-유도의 최종 광섬유의 광손실이 최소화 될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 일단 절연 유리 수트층이 기정된(predetermined) 두께에 이르면, 화염속도는 중대한 유리 목적물 표면 온도의 현저한 증가 없이 유리 수트 증착율의 증대를 위하여 증가될 수 있다.
버너 화염속도는 다양한 방법에 따라 달라질 수 있다. 상기 버너 화염의 속도는 예를 들어, 버너 외면에서 개별 버너 노즐의 단면적을 변경하는 것과 같은 버너의 외형(geometry)을 변화시킴으로서 달라질 수 있다. 이는 예를 들면, 유리 수트의 제 1, 절연층을 증착하기 위한 제 1 기정 총 노즐 영역(a first predetermined total nozzle area)을 가지는 제 1 버너를 사용하고, 그 후 유리 수트의 연속적인 층을 증착하기 위한 제 1 총 노즐 영역과 상이한 제 2, 기정 총 노즐영역을 갖는 제 2 버너를 사용하여 효과적으로 달성될 수 있다. 바람직하게는, 제 2 버너의 총 노즐영역은 제 1 버너의 총 노즐영역보다 작다. 반응물(즉, 산소, 연료 및 유리 전구체)의 균등한 질량 유량비가 각 버너를 통하여 흐른다고 하면, 감소된 총 노즐 영역은 화염속도가 증가될 수 있다. 즉, 제 1 총 노즐 영역(개별 노즐 영역의 총합)을 갖는 제 1 버너 및 일정한 총 질량 유량비에 대한 제 1 버너 화염속도에 대하여, 동일한 총 질량 유량비에 대하여 제 1 버너의 총 노즐 영역보다 작은 총 노즐영역을 갖는 제 2 버너는 증가된 화염속도를 가질 것이다. 이는 제 2 버너에서의 개별 노즐의 숫자의 감소, 및/또는 제 2 버너에서의 개별 노즐의 영역의 감소에 의하여 달성될 수 있다. 선택적으로, 만일 단일 버너가 사용된다면, 선택된 버너 노즐로의 질량 유량(mass flow)은 유리 수트의 제 2 층의 증착과정 동안 막힐 것이다. 제 1 유리수트층의 증착과정 동안 적어도 질량 유량비 만큼의 크기인 제 2 유리수트층의 증착과정 동안의 총질량 유량비를 가정하면, 선택된 버너 노즐을 막는 것(turning off)은 상기 버너 화염의 속도를 효과적으로 증가시킬 것이다.
바람직하게는, 제 1 유리수트층의 증착과정 동안 상기 버너 화염속도는 약 12㎧미만이고; 더욱 바람직하게는 약 5㎧미만이다. 예를 들어, 제 1 유리수트층의 상부에(overtop) 유리 수트 제 2층을 증착하는 과정 동안과 같이, 유리 수트의 상기 제 1층의 상부에 부가 유리 수트가 증착되는 동안의 상기 버너 화염속도는, 바람직하게 12㎧초과이고; 더욱 바람직하게는 적어도 약 20㎧이다.
도 5에서 보이는 본 발명의 일 실시예에 따라, 유리 수트의 제 1 층(48)은 제 1 수트 증착 버너(52)에 의하여 광섬유 중심관(50)상에 증착된다. 버너(52)는 제 1 화염속도(v1)를 갖는 제 1 버너 화염(54)을 발생시킨다. 바람직하게는 제 1 유리수트층(48)은 약 20㎜미만의 두께(t)를 가지며; 더욱 바람직하게는 약 10㎜미만이다. 제 1 유리수트층이 중심관(50)에 증착된 후, 제 1 버너 화염(54)속도(v1)는 제 1 유리수트층(48) 상부에 제 2 유리수트층(56)을 증착하기 위하여 증가될 것이다. 제 2 유리수트층(56)의 증착과정 동안의 전체 화염 속도는 제 1 화염속도(v1)와는 상이한 제 2 화염속도(v2)를 갖는 제 2 버너(60)와 같은, 제 2 버너 화염(58)을 사용함으로써 효과적으로 증대시킬 수 있다. 제 2 화염 속도(v2)는 바람직하게는 제 1 화염속도(v1)보다 크다. 예를 들면, 제 1 유리수트층(48)은 약 12㎧미만의 제 1 화염속도; 보다 바람직하게는, 약 5㎧미만의 속도에서, 약 20㎜ 미만의 두께로; 보다 바람직하게는 약 10㎜미만으로 중심관(50)의 상부에 증착될 수 있다. 유리수트의 제 2층(56)은 그 후에 적어도 약 12㎧의 제 2 화염속도에서, 보다 바람직하게는 적어도 약 20㎧의 속도에서, 가장 바람직하게는 적어도 약 30㎧의 속도로 제 1 유리수트층(48)의 상부에 증착될 수 있다. 제 1 버너 화염(54)은 제 2 버너화염(58)에 의하여 부가 유리의 증착과정 동안 소멸될 수 있고, 그렇지 않으면 제 1 버너 화염(54)은 지속될 것이다. 바람직하게는, 유리 수트의 상기 제 1층 또는 제 2층(48 또는 56) 각각의 증착과정 동안 중심관(50)의 표면에서의 온도는, 약 900K를 초과하지 않으며, 보다 바람직하게는, 제 1 유리수트층 또는 제 2층의 어느 쪽의 증착과정 동안 유리 목적물의 표면에서의 온도는 약 800K를 초과하지 않는다. 제 1층(48) 상부에 제 2 유리수트층(56)을 증착한 후, 제조된(resultant) 수트 예비성형체(62)는 더욱 가공되며, 당업계에 알려진 통상적인 건조공정 및 고형화 공정에 따른 수트 예비성형체의 건조공정 및 고형화 공정 같은 것이다. 예를 들어, 상기 예비 성형체는 수트 예비성형체(62)를 건조시키기 위하여 염소(chlorine)의 포함 분위기에서 열처리 될 수 있고, 그 후에 예비성형체를 고체인, 도 6에서 도시된 것과 같은 투명 유리 예비성형체로 고형화하기 위하여 수트 예비성형체(62)를 가열하는 단계를 거칠 수 있다. 고형화된 광섬유 예비성형체(64)는 그 후 통상적인 방법에 의하여 광섬유로 연신(drawing)될 수 있으며, 또는 부가 유리가 본 발명에 따라 상기 고형화된 광섬유 예비성형체 상부에 증착될 수 있다. 광섬유 예비성형체는 예를 들어, 용광로에서 광섬유 예비성형체(64)의 정렬(arranging)에 의하여 연신되어 광섬유 예비성형체(64)가 하나 또는 그 이상의 히터에 의하여 가열된다. 광섬유 예비성형체의 일부 또는 덩어리(gob)가 연화되고 적가(drop)된다. 상기 예비성형체에 대한 덩어리와 연결된 한 줄기의 유리-광섬유-는 그 이후에 획득되고(captured), 상기 덩어리가 제거되며, 그리고 상기 광섬유는 당김 휠(pulling wheel), 또는 트랙터에 의하여 당겨지고(pull), 회수스풀(receiving spool)에 감겨진다.
본 발명의 실시예가 제 1 속도(v1)에서 제 1층을 증착시키기 위한 제 1버너/버너 화염 및 제 2속도(v2)에서 제 2층을 증착시키기 위한 제 2버너/ 버너 화염의 용어로 기술되고 있으나, 다수의 버너가 실시예를 실행하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 버너가 제 1 유리수트층을 증착시키기 위하여 사용될 수 있고, 각 버너는 약 12㎧미만과 같은, 낮은 화염 속도를 가진 버너 화염을 발생한다. 이 경우, 양 버너(52, 60)는 제 1 층(48)을 증착시키는데 사용될 수 있고 여기서 버너 화염(54, 58)은 약 12㎧미만의 화염속도를 각각 가질 수 있다. 그 이후에, 버너52 및/또는 버너 60 둘 다, 또는 그 중 하나가 유리수트의 제 2층(56)을 증착시키는데 사용될 수 있고, 여기서 버너 화염 54 및/또는 버너 화염 60은 약 12㎧초과의 화염 속도를 가질 수 있다. 선택적인 실시예에서, 단일 버너는 약 12㎧미만의 화염속도 v1에서 제 1층(48)을 증착시키는데 사용될 수 있고, 복합(multiple) 버너는 그 후 약 12㎧초과의 화염속도 v2에서 제 2층(56)을 증착시키는데 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 버너화염(54)의 속도 v1은 버너로 흐르는 성분요소(constituent elements)의 총 질량 유량비를 변화시킴으로서 달라질 수 있다. 상기 화염속도는 상기 버너 화염으로의 조성물의 총질량 유량비가 증가됨으로서 증대될 수 있고, 또는 상기 화염속도는 상기 버너화염으로의 조성물의 총질량 유량비가 감소됨으로써 줄어들 수 있다.
본 발명을 실행하는데 사용될 수 있는 실험예의 외부 증착(outside vapor deposition:OVD)공정은 도 7에 의하여 도시되고, Blankenship의 미국 특허 제 4,314,837호에 기술되며, 그 내용은 본 명세서에 참조사항으로 완전히 포함된다. 이하에서 OVD를 기술하더라도, 다른 기술들, 예를 들어 축상증착(vapor axial deposition)이 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 도 7에서 보이는 바와 같이, 유리 수트의 층은 화염 가수분해 버너(52)에 의하여 실질적으로 원통형의 중심관(50)에 적용된다. 상기 중심관은 버너(50)에 대하여 회전되고 병진(translate)되어 일반적인 원통형 예비성형체(62)를 형성한다. 설명을 위하여, 비록 본 발명이 그러한 적용품에 한정될 필요는 없다고 하더라도, 도 7은 광 도파관(optical waveguide)섬유로 연신될 수 있는, 다공성 수트 공간(blank) 또는 수트 예비성형체(62)와 관련하여 기술되어 있다. 상기 원통형 예비성형체(62)는 그 후에 투명한 유리 광섬유 예비성형체(64)로 고형화(consolidation)되고, 반응 생산물 성분(reaction product constituent)의 조성을 반영하는 특성을 가진 광섬유(66)로 연신된다.
상기 반응생산물에 궁극적으로 포함되는 상기 성분은 저장기(68, 70)에 보관되며, 상기 저장기는 상업적으로 이용 가능한 여압 탱크(pressurized tanks)일 수 있다. 저장기(68, 70)는 상기 버너에 계량 기구(metering apparatus)를 통하여 적합한 증기 흐름을 발생시키기 위하여 충분한 수준으로 상기 저장기 내에서 증기압을 보존하기 위하여 반응물의 온도를 충분히 높게 유지하기 위한 각각의 히터(72, 74)와 함께 제공된다. 본 목적을 달성하기 위한 최소 증기압력은 일반적으로 4psig이다. 상기 저장기에서의 최대 압력은 이하에서 기술되는 질량 유량 조절기와 같은 제한장치에 의하여 지정된다. 적당한 온도에서 각 저장기 내의 원료물질을 보존하는 온도 조절기(76, 78)는 상업적으로 입수가능한 유닛으로부터 선택될 수 있다. 압력 센서(80, 82)는 조절기(76, 78)에 각각 조절 신호를 제공한다. 따라서, 저장기 압력은 모니터되고, 따라서 그 유도된 정보는 히터(72, 74)의 작동을 조절하는데 이용된다.
라인(88, 90)상의 각각의 적당한 밸브(84, 86)는 바람직한 경우에 있어 증기 흐름에 대한 일부 조절을 실행하기 위한 개별적인 저장기와 결합되고, 다양한 증기 흐름이 , 예를 들어 시스템 유지 또는 저장기 교체를 위하여 완전히 중지되도록 한다. 압력 조절 밸브(92, 94)는 라인(88, 90)상에 각각 제공되어, 상기 저장기들로부터의 개별 증기의 유량비가 조절되게 된다.
상기 시스템을 보다 용이하게 조작하기 위하여, 밸브(92, 94)는 전자기적으로 조절되거나 모터에 의한 수단일 수 있는 종류이다. 따라서 모터(96, 98)는 상기 밸브에 연결되어 있는 것으로 도시되며 조절기(100, 102)에 의하여 조작되어 원하는 방식으로 변경되는 상기 저장기로부터 증기 흐름을 유발시킨다. 질량 유량비 변환기(transducer: 104, 106)는 라인(88, 90)과 각각 흐름 감지(flow sensing)관계로 배치된다. 이러한 변환기에 의하여 제공되는 신호는 상기 조절기에 적용되어 증기의 질량 유량비가 조절될 수 있게 된다. 압력조절 밸브, 모터, 조절기 및 변환기의 각 조합, 예를 들어, 번호92, 96, 100 및 104로 대표되는 그러한 성분들은 질량 유량조절기로 일컬어진다. 그러한 조절기는 유체 유량 시스템에서 일반적으로 발견되며, 다양하고 적합한 형식의 조절기가 용이하게 상업적으로 이용가능하다. 각 조절기(100, 102) 각각은 상기 시스템 조절 유닛(106)과 연결된 설정치 입력 터미널(set point input terminal)을 가지고 상기 조절 유닛은 적합한 조절 신호를 각 조절기에 제공하기 위하여 프로그램된 마이크로 프로세서 또는 컴퓨터를 포함할 수 있다.
라인(88, 90)으로부터의 증기 유량은 버너(52)와 연결된 라인108에 연결된다. 증기 전달 라인(88, 90 및 108)은 적어도 저장기(68, 70)가 가열되는 최대 온도만큼 높은 온도로 가열되어야 한다. 산소는 원료(110)로부터 라인108로 또한 도입될 수 있다. 산소 유량비는 밸브(112), 모터(114), 조절기(116) 및 변환기(118)를 포함하는 질량 유량 조절기에 의하여 조절된다. 산소 유량비는 바람직하게 증기 성분의 유량비의 작용에 따라 조절되어 적당한 양의 산소가 상기 시스템에 도입되도록 한다.
산소가 버너(52) 화염에서 형성된 수트를 구성하는 다야한 산소를 형성하기 위하여 필요로 되는데, 그러한 산소는 상기 버너에 제공될 수 있다. 버너(52)의 단편적인 단면도가 도 8에 도시되었다. 버너 외면(44)의 중앙으로 위치한 세공(orifice:120)은 세공(122, 124 및 1260의 동심환(concentric rings)에 의하여 둘러싸여 있다. 반응물 증기는 세공(122)으로부터 발산하는 연료 가스 및 산소에 의하여 생성된 화염으로부터 가열받는 지점에서 세공(120)으로부터 발산한다. 내부 차폐(inner shield)로 일컬어지는 산소 스트림(stream)은 세공(124)로부터 발산하고; 이러한 스트림은 상기 버너 외면에서 반응화합물의 반응을 방지한다. 최종적으로, 외부 차폐라 일컬어지는 산소 스트림은 세공(126)으로부터 발산한다. 버너(52)의 모든 세공은 집합적으로 제공될 수 있다.
도 7을 재차 인용하면, 라인(128)에 의하여 버너(52)로 공급되는 연료 가스 및 산소는 상기 버너로부터 유출되고, 발화한다. 부가 산소는 라인(130)에 의하여 공급될 수 있다. 라인 108에 의하여 공급된 반응물 증기는 예비성형체(62)로 향하는 유리 수트를 형성하기 위한 화염속에서 반응한다. 매트릭스 유리 전구체 및 도펀트 물질이 이전에 결합한 염소 또는 기타 물질은 상기 물질로부터 분리되고, 염산을 형성하기 위하여 탄화수소 연료로부터의 수소와 결합한다. 반응의 특수한 성질은, 물론 본 발명의 특수한 적용 및 제공되는 성분에 의존한다. 그러한 반응자체는 본 발명에 어떠한 부분도 구성하지 않으며, 본 발명에서 개시되는 이상의 다른 성분이 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 사용가능하다. 더불어, 여러 다른 증착기구, 예를 들어, 축상 증착(VAD)을 위한 기구 또는, 기재에 매트릭스 유리 전구체 및 도펀트 물질을 전이시키는 여타의 메카니즘이 본 발명의 사용을 위하여 선택될 수 있다. 본 설명에서, 운반가스로서 산소의 부재 상태에서, 연료를 발화시키는데 필요한 화학양론적 양을 벗어나거나 및 그 이상의 부가 산소가 예를 들어, 도 7과 관련되어 기술된 방식으로 버너(52)로 전달될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
SiO2 및 GeO2를 포함하는 광 도파관 섬유의 형성에서 도시된 시스템을 사용하기 위하여는, 저장기(68, 70)가 각각 SiCl4 및 GeCl4를 포함할 수 있다. 물론 증기형태로 전달되는 것이 가능한 많은 기타 유리-형성 반응물이 사용될 수 있고, 각 유리 형성 반응물은 개별의 저장기에 포함될 수 있으며 개별적인 질량 유량 조절기에 의하여 조절될 수 있다. 온도 조절기(76, 78)는 조정되어 개별적인 저장기 내의 증기압이 증기를 버너에 대한 질량 유량 조절기를 통하여 전달되도록 하기 위하여 충분히 높게 한다.
밸브(84, 86)가 개방되고, 시스템 조절부(106)는 각 질량 유량 조절기에 적당한 설성치 신호를 제공하여 밸브(92, 94)가 버너(52)에 바람직한 증기량을 통과시키게 한다. 적합하게 계량된(properly-metered) 산소 유량은 또한 반응물 증기를 따라 버너에 도입된다. 상기 증기는 중심관(50)의 표면상에 증착되는 수트를 형성하기위한 화염에서 산소와 반응한다. 수트 예비성형체(62)는 그 다음 가열될 수 있고, 일반적인 방식으로 광 도파관으로 연신될 수 있는 단일괴상의 유리상 블랭크(monolithic glassy blank:64)로 고형화될 수 있다.
도파관 구조의 굴절률을 방사상으로 변화시키기 위하여, 다양한 성분의 비율이 상기 블랭크의 형성과정 동안 기정된 방식으로 변화될 수 있다. 따라서 시스템 조절부(106)는 기정된 시간에서 여러 가지 질량 유량 조절기에 대한 명령신호(commend signals)를 발생시킬 수 있어, 도펀트의 양이나 종류가 변화된다. 대개는, 상기 변화는 증가한 예비성형체 반지름을 갖는 궁극적인 유리 제품의 굴절률의 감소에 영향을 미치는 것과 같다. 따라서 유량 조절 밸브(92, 94)는 그 때문에 반응물 증기의 유량을 적절하게 규정한다.
개시된 종류의 증기 전달 시스템은 현저히 높은 정확성을 가지고 증착 기구에 반응물 증기를 전달할 수 있다. 저장기에서의 액체(liquids)의 압력 및 온도의 정확한 조절은 필요하지 않다; 다만 그 압력을 충분히 높게 유지시켜 증기가 질량 유량 조절기를 통하여 상기 버너로 이송될 수 있도록 하는 것이 필요하다.
당업자는, 전술한 개시내용이 단지 단일 버너만을 포함하고 있더라도, 복합버너가 상기 증착과정에 사용될 수 있음을 인지할 것이다. 앞서 증기 전달 시스템이 설명되고 있으나, 다른 전달 시스템, 예를 들어, 액체 전달 시스템과 같은 것 또한 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
실시예에 따르면, 제 1 유리수트층(48)은 제 1 총 질량 유량비(m1)에서, 앞서 설명된 OVD방법과 같은 수단으로 중심관(50)상에 증착된다. 일반적으로, 중심관(50)은 중심 유리(core glass)를 포함한다. 선택적으로, 중심관(50)은 중심 유리 및 최종 광섬유로 고형화될 수 있는 클래딩 유리의 적어도 일부 둘 다를 포함할 수 있다. 제 1 유리수트층(48)은 중심 유리 수트를 포함할 수 있고, 또는 제 1 유리수트층은 중심관 및 바람직한 예비성형체 디자인의 구성에 의존하는 클래딩 유리 수트를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제 1 유리수트층의 증착과정 동안 상기 중심관 표면의 온도는 약 900K(627℃)미만이고, 더욱 바람직하게는 약 800K(527℃) 미만이다. 바람직하게는, 제 1 유리수트층은 적어도 약 5㎜의 두께를 가지며, 더욱 바람직하게는 적어도 약 7㎜이며, 보다 바람직하게는 적어도 약 10㎜이다. 바람직하게 제 1 수트 층은 약 20㎜를 초과하지 않는 수트 두께(t)를 포함한다. 상기 제 1 총질량 유량비(m1)은 제 1 유리수트층(48)의 증착과정 동안 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 제 1 유리수트층이 기정된 두께에 이르면, 총유량비는 변화되고, 제 2 유리수트층(56)은 제 2 총 질량 유량비(m2)로 제 1 유리수트층(48)의 상부에 증착된다. 바람직하게는, 제 2 총질량 유량비(m2)는 제 1 총질량 유량비(m1)보다 크다. 화염의 화학양론은 상기 총질량 유량비가 변화됨에 따라 변화하지 않는 것이 좋다. 즉, 상기 버너 화염에 흘러가는 성분 요소의 비율은 제 1 총질량 유량비(m1)에서 제 2 총질량 유량비(m2)로 변화되는 동안 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 상기 총질량 유량비는 제 1 유리수트층(48)의 증착과정 동안 변화된다. 왜냐하면 제 1 유리수트층의 절연 특성(insulating property)은 그것의 두께가 증가함에 따라 증가하고, 제 1 유리수트층의 두께(t)가 증가하면, 상기 버너(52)화염 속도가 증가될 것이기 때문이다. 바람직하게는, 상기 질량 유량비는, 계단식의 증가 또는 다른 형태의 증가가 가능하고, 본 발명의 범주내로 포함되는 것이나, 제 1 유리수트층(48)의 두께(t)에 비례하여 제 1 유리수트층(48)의 증착과정 동안 지속적으로 증대된다. 바람직하게, 제 1 유리수트층(48)은 적어도 약 5㎜의 두께를 가지고, 더욱 바람직하게는 적어도 약 7㎜이며, 보다 바람직하게는 적어도 약 10㎜의 두께를 가진다. 바람직하게는, 제 1 수트 층(48)은 20㎜를 초과하지 않는 수트 두께를 포함한다.
유리 수트의 제 1층이 증착된 후, 상기 버너로 흐르는 반응물의 총질량 유량비가 증가되어, 제 1 유리수트층의 상부에 제 2 유리수트층을 증착하는 동안의 최대 총질량 유량비(m2)는 유리 수트의 증착율(deposition rate)을 증가시키기 위하여 제 1 유리수트층(48)을 증착시키는 동안 버너(52)로 흐르는 반응물의 최대 총질량 유량비(m1)보다 크게 된다. 제 2 유리수트층(56)은 부가 중심 유리 수트일 수 있으며, 또는 제 2 유리수트층은 클래딩 유리수트일 수 있다. 유리 수트의 부가 층은 제조되는 광섬유의 디자인에 따라 필요한 경우 증착될 수 있다.
일단 유리 수트의 최종 층(final layer)이 증착되면, 중심관 및 유리 수트의 하나 또는 그 이상의 층을 포함하는 광섬유 예비 성형체는 고체의, 투명한 유리 광섬유 예비성형체를 형성하기 위한 전통적인 방법에 따라 건조되고, 고형화된다. 예를 들어, 광섬유 예비 성형체는 다공성 유리 수트에서 수분을 제거하기 위하여, 먼저 염소와 같은 적당한 건조 가스의 존재하에서 가열되고, 이어서 광섬유 예비성형체(62)는 고체의, 투명한 유리 광섬유 예비성형체(64)로 광섬유 예비성형체를 소결, 또는 고형화하기 위하여 더욱 가열될 수 있다. 바람직하게는, 상기 고형화된 광섬유 예비 성형체(64)는 상기 중심관과 제 1층의 경계면에서 약 0.1 wt-ppm OH 미만을 포함하는 본 발명에 따라 제조될 수 있다. 결과물 고형화 광섬유 예비성형체(64)는 그 후에 광섬유(66)을 형성하기 위하여 전통적인 연신 방식에 의하여 연신된다. 상기 연신 공정은 예비성형체의 구조를 유지하나, 더욱 작은 규모에서는, 상기 중심관과 제 1층 사이의 경계면은 여전히 일체화되어(identified) 있을 수 있다. 바람직하게는, 예비성형체(64)로부터 연신될 수 있는 상기 광섬유는 중심관과 제 1층 사이의 경계면에서 약 0.1 wt-ppm OH 미만을 포함할 수 있다.
도 1은 4개의 상이한 화염속도에 대한 시간의 작용으로서 중심관-수트의 경계면 온도가 계산된 그래프이다.
도 2는 상기 도 1의 경계면 온도에 대응한 4개의 상이한 버너 화염 속도에 대한 시간 작용으로서 수트 예비성형체 표면 온도가 계산된 그래프이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 대응한 4개의 상이한 버너 화염속도에 대한 반경의 작용으로서 wt.ppm인 OH농도가 계산된 그래프이다.
도 4는 노즐의 동심환(concentric rings)을 보이는 실험예의 수트 증착 버너의 외관의 하향조망도이다.
도 5는 유리 목적물(target)상에 수트를 증착하는 방법을 도시한 것이다.
도 6은 고형화된 광섬유 예비 성형체로부터 연신된 광섬유를 도시한 것이다.
도 7은 외부 증기 증착을 통하여 유리 수트 증착을 위한 전통적인 기구의 개략적인 다이어그램이다.
도 8은 유리 수트 증착을 위한 버너의 일부에 대한 길이 방향의 단면 도시도이다.
중심 유리를 포함하는 유리 중심관이 유리형성 선반에 위치되고 480rpm으로 회전된다. 단일 버너는 9.187분당 표준 리터(standard liter per minute:SLPM)의 유량비로 CH4가 공급되며, 3.768 SLPM으로 SiCl4가, 4.851 SLPM에서 제 1 버너 노즐 세트을 통하여 O2가, 9.022 SLPM에서 제 2 버너 노즐세트을 통하여 O2가, 8.544 SLPM에서 제 3 버너 노즐세트을 통하여 O2가, 7.145 SLPM에서 제 4 버너 노즐세트을 통하여 O2가 공급된다. 상기 버너로의 총 유량비는 42.517 SLPM이었다. 계산된 화염속도는 10.9㎧이다. 상기 단일 버너 및 상기 중심관사이의 상대 횡단비(relative traverse rate)는 상기 중심관에 대한 길이방향 축에 평행한 제 1 방향에서 7.148㎝/s이고, 반대 방향인 제 2방향에서 대략 45㎝/s이다. 제 1 유리수트층은 유리 목적물 막대의 상부에 증착된다. 제 1 유리수트층은 약 10㎜의 두께를 가진다. 유리수트의 제 2층은 제 1 유리수트층의 상부에 그다음 증착된다. 30.42㎜의 두께를 갖는 유리 수트 제 2층은 51.14 SLPM의 평균 총질량 유량비 및 13.112㎧의 버너 화염속도로 증착된다. 상기 예비성형체와 상기 버너 사이의 상대 횡단비는 제 1 유리수트층을 증착시키는 동안의 횡단비와 함께 일정하게 유지된다. 중심관과 유리 수트 제 2층을 포함하는 결과 수트 예비성형체는 통상적인 기술에 의하여 건조되고 고형화되며, FTIR을 이용하여 반경의 작용에 따른 OH농도를 측정하고 고형화된 예비성형체 방사상으로 분할하는 것으로써 OH농도에 대하여 분석된다. 고형화된 예비성형체는 상기 관-제 1층 경계면에서 0.092wt.ppm의 피크 OH농도를 보인다.
유리 수트의 제 1층의 증착과정 동안의 더 빠른 횡단비의 영향을 평가하기 위하여, 제 1 중심관과 실질적으로 동일한 직경을 가지며, 중심 유리를 포함하는 제 2 중심관을 유리 형성 선반에 위치시키고, 480rpm으로 회전시킨다. 단일 버너에는 20.041 SLPM의 유량비로 CH4가 공급되며, 3.768 SLPM으로 SiCl4가, 4.851 SLPM에 서 제 1 버너 노즐세트을 통하여 O2가, 9.022 SLPM에서 제 2 버너 노즐세트을 통하여 O2가, 18.649 SLPM에서 제 3 버너 노즐세트을 통하여 O2가, 7.145 SLPM에서 제 4 버너 노즐세트을 통하여 O2가 공급된다. 상기 버너로의 총 유량비는 63.479 SLPM이었다. 계산된 화염속도는 16.273㎧이다. 상기 단일 버너 및 상기 중심관사이의 상대 횡단비(relative traverse rate)는 상기 중심관에 대한 길이방향 축에 평행한 제 1 방향에서 7.148㎝/s이고, 반대 방향인 제 2방향에서 대략 45㎝/s이다. 제 1 유리수트층은 유리 목적물 막대의 상부에 증착된다. 제 1 유리수트층은 유리 목적물 막대의 상부에 증착된다. 제 1 유리수트층은 약 10㎜의 두께를 가진다. 제 2 유리수트층은 제 1 유리수트층의 상부에 그 다음 증착된다. 21.04㎜의 두께를 갖는 제 2 유리수트층은 58.42 SLPM의 평균 총질량 유량비 및 14.976㎧의 버너 화염속도로 증착된다. 상기 예비성형체와 상기 버너사이의 상대 횡단비는 제 1 유리수트층을 증착시키는 동안의 횡단비와 함께 일정하게 유지된다. 중심관과 제 2 유리수트층을 포함하는 결과 수트 예비성형체(resulting soot preform)는 통상적인 기술에 의하여 건조되고 고형화되며, FTIR을 이용하여 반경의 작용에 따른 OH농도를 측정하고 고형화된 예비성형체 방사상으로 분할하는 것으로써 OH농도에 대하여 분석된다. 고형화된 예비성형체는 상기 관-제 1층 경계면에서 1.089wt.ppm의 피크 OH농도를 보인다.
본 발명은 광신호 감쇄의 원인이 되는 광섬유 내의 수분을 일정범위 이하로 줄어들 수 있도록 광섬유 예비성형체의 제조를 위한 유리 수트 증착방법이 제공됨으로써, 전기 통신 산업 내에서의 작동 파장영역에서의 감쇄가 줄어들 수 있다.

Claims (20)

  1. 유리 수트(soot)를 형성하기 위하여, 연료와 유리 전구체를, 상기 연료의 질량 유량비와 상기 유리 전구체의 질량 유량비의 합인 총질량 유량비(total mass flow rate)로 버너 화염에 흘려주는 단계;
    중심관(core cane)상에 제 1 총질량 유량비로 제 1유리 수트 층을 증착시키는 단계; 및
    광섬유 전구체를 형성하기 위하여 제 2 총질량 유량비로 상기 제 1유리 수트 층의 상부에 제 2 유리 수트층을 증착시키는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 총질량 유량비는 상기 제 1 총질량 유량비보다 크고, 상기 제 1 유리 수트 층의 두께는 20㎜미만인 것을 특징으로 하는 유리수트의 증착방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 유리 수트 층의 두께는 10㎜미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 중심관과 상기 제 1 유리수트 층의 경계면의 온도는 900K를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 4항에 있어서, 상기 중심관과 상기 제 1 유리수트 층의 경계면의 온도는 800K를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1유리 수트 층의 증착단계는 총질량 유량비를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 총 질량 유량비를 변화시키는 단계는 총질량 유량비를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 방법은, 광섬유 예비성형품을 형성하기 위하여 상기 광섬유 전구체를 고형화(consolidation)시키는 단계; 및
    상기 광섬유 예비 성형체를 광섬유로 연신하는 단계를 더욱 포함하며,
    상기 광섬유는 상기 중심관 및 상기 제 1층의 경계면에서 피크 OH농도가 0.1wt.-ppm미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 화염속도(flame velocity)를 갖는 버너 화염에서 유리수트를 형성시키는 단계;
    제 1 화염속도에서 중심관상에 제 1 유리 수트 층을 증착시키는 단계; 및
    광섬유 전구체를 형성하기 위하여 제 2 화염속도에서 상기 제 1 유리 수트 층의 상부에 제 2 유리 수트 층을 증착시키는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 화염속도는 상기 제 1 화염속도보다 크고, 상기 제 1 유리 수트층의 두께는 20㎜미만인 것을 특징으로 하는 광섬유 예비 성형체 형성방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제 1 유리수트 층과 상기 중심관 사이의 경계면에서의 온도는 900K를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 제 1화염 속도는 10㎧미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 제 1화염 속도는 5㎧미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 제 2화염 속도는 10㎧초과인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 형성단계는 복수개의 버너 화염을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 복수개의 버너 화염은 제 1 화염속도를 갖는 제 1 버너와 제 2 화염속도를 갖는 제 2 버너를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 8항에 있어서, 상기 제 2 유리 수트 층의 증착단계는 상기 버너 화염에 대한 반응물의 총질량 유량비를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 8항에 있어서, 상기 방법은 광섬유 예비성형품을 형성하기 위하여, 상기 중심관과 상기 제 1층의 경계면에서 0.1wt.-ppm미만인 OH농도를 포함하는 상기 광섬유 전구체를 고형화(consolidation)시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 8항에 따른 방법에 의하여 형성되며, 상기 중심관과 상기 제 1층의 경계면에서 0.1wt.-ppm미만인 OH농도를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  18. 중심관 상에 20㎜미만의 두께를 갖는 제 1유리 수트 층을 증착시키는 단계; 및
    상기 제 1 층의 상부에 제 2 유리 수트 층을 증착시키는 단계를 포함하며,
    상기 중심관과 상기 제 1 유리 수트 층사이의 경계면에서의 온도가 900K를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 광섬유 예비성형체의 형성방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 온도는 800K를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 광섬유 예비성형체는 상기 중심관과 상기 제 1층의 경계면에서 0.1wt.-ppm미만인 OH농도를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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