KR20120102718A - 저손실 광 섬유 - Google Patents

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KR20120102718A
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스니그드하라지 케이. 미쉬라
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

광 도파관 섬유는 제공되고, 상기 광 도파관 섬유는 코어 및 클래딩을 포함하고, 상기 코어는 알파 프로파일을 포함하고, 알파(α)는 2.5보다 크고 3.0보다 작다. 코어 및 클래딩은, 감쇠가 1310 nm의 파장에서 0.331 dB/km 미만, 1383 nm의 파장에서는 0.328 dB/km 미만, 1410 nm의 파장에서는 0.270 dB/km 미만, 그리고 1550 nm의 파장에서는 0.190 dB/km 미만인 섬유를 구비한다. 광 섬유를 제조하는 방법도 제공된다.

Description

저손실 광 섬유{LOW LOSS OPTICAL FIBER}
본 발명은 일반적으로 광 섬유에 관한 것으로, 특히 감쇠가 낮은 단일 모드식 섬유에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2009년 11월 25일에 출원되고 명칭이 "저손실 광 섬유(Low Loss Optical Fiber)"라는 미국 정식 특허 출원 제12/626305호를 기초로 하는 우선권 주장 출원이며, 상기 미국 정식 특허 출원은 참조로서 본원의 내용에 전체적으로 병합된다.
다양하게 적용되는데 사용되고, ITU-T G.652 등의 업계 표준을 충족시키기에 충분한 단일 모드식 광 섬유에 대한 수요가 계속해서 급증하고 있다. 그러나, 감쇠 및 굽힘 손실(bend loss) 등과 같은 광 섬유 속성은 상기와 같은 섬유의 신호를 저하시킬 수 있다. 결과적으로, 감쇠 및 굽힘 손실을 줄이기 위한 관심이 상업적으로 엄청나게 많다.
본 발명의 목적은 저손실 광 섬유를 제공하는 것에 있다.
일 실시예는 코어(core) 및 클래딩(cladding)을 포함한 광 도파관 섬유를 포함하고, 코어는 % 단위로 표기되는 상대 굴절률 프로파일(relative refractive index profile)(Δ(r))을 가진다. 코어는 시작점(ri) 및 최종점(rf)을 갖는 알파 프로파일(alpha profile), 최대 상대 굴절률(Δ1 MAX), 및 외부 반경(R1)을 포함하고, 이때 알파(α)는 2.5보다 크고 3.0보다 작다. 코어 및 클래딩은, 감쇠가 1310 nm의 파장에서 0.331 dB/km 미만, 1383 nm의 파장에서는 0.328 dB/km 미만, 1410 nm의 파장에서는 0.270 dB/km 미만, 그리고 1550 nm의 파장에서는 0.190 dB/km 미만인 섬유를 구비한다.
또 다른 실시예는 광 섬유를 제조하는 방법을 포함한다. 방법은 가열된 유리 공급부(heated glass source)로부터 광 섬유를 인발시키는 단계를 포함한다. 게다가, 방법은 처리 영역에서 광 섬유에 5,000 ℃/s 미만의 평균 냉각율을 적용하면서, 처리 영역(treatment zone)에서 광 섬유를 유지시킴으로써, 상기 광 섬유를 처리하는 단계를 포함한다. 처리 영역에서의 평균 냉각율은 처리 영역으로의 섬유 입구 표면 온도에서 처리 영역으로부터의 섬유 출구 표면 온도를 뺀 값을 상기 처리 영역에서의 광 섬유의 총 체류 시간으로 나눈 것으로 정의된다. 처리 영역에서 빠져나가는 광 섬유의 표면 온도는 적어도 약 1,000 ℃이다. 광 섬유는 코어 및 클래딩을 가지고, 코어 및 클래딩은, 감쇠가 1310 nm의 파장에서 0.323 dB/km 미만, 1383 nm의 파장에서는 0.310 dB/km 미만, 1410 nm의 파장에서는 0.260 dB/km 미만, 그리고 1550 nm의 파장에서는 0.184 dB/km 미만인 섬유를 구비한다.
추가적인 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에서 기술될 것이고, 다음의 상세한 설명, 청구항 및 첨부된 도면을 포함한 본원에 개시된 바와 같이, 이와 같은 설명은 기술 분야의 통상의 기술자에게 있어 부분적으로 손쉽게 명확해질 수 있거나, 기술 분야의 통상의 기술자라면 실시예를 시행함으로써 인식될 것이다.
이해하여야 하는 바와 같이, 상술된 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 대표적인 실시예에서 나타나고, 청구항의 특성 및 특징을 이해시키려는 개요 또는 구성을 제공하려는 의도를 갖는다. 첨부된 도면은 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되고, 이러한 명세서의 일부에 병합되고 그 일부를 구성하기도 한다. 도면은 다양한 실시예를 도시하고, 설명과 함께, 다양한 실시예의 원리 및 동작을 설명하는 기능을 한다.
도 1은 광 도파관 섬유의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이고;
도 2는 광 도파관 섬유의 대표 실시예의 굴절률 프로파일을 도시한 도면이고;
도 3은 광 도파관 섬유의 추가적인 대표 실시예의 굴절률 프로파일을 도시한 도면이고;
도 4는 광 섬유 형성 장치의 개략적인 측 단면도이고;
도 5는 대안적인 광 섬유 형성 장치의 측 단면도이고;
도 6은 광 섬유 제조 시스템을 도시한 도면이고;
도 7은 광 섬유 제조 시스템에서 사용되는 유체 베어링(fluid bearing)을 도시한 도면이며; 그리고
도 8은 광 섬유 제조 시스템을 위한 테이퍼링 영역(tapered region)을 갖는 유체 베어링의 측 평면도이다.
참조는 이제 본 발명의 바람직한 실시예에서 상세하게 이루어질 것이고, 상기 실시예의 예는 첨부된 도면에서 제시된다.
"굴절률 프로파일"은 굴절률 또는 상대 굴절률과 도파관 섬유 반경 간의 관계를 의미한다.
"상대 굴절률 퍼센트"는
Figure pct00001
로 정의되고, 여기서 별다른 말이 없는 한, ni는 영역(i)의 최대 굴절률이고, nc는 클래딩의 최외곽 영역의 평균 굴절률이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 상대 굴절률은 Δ로 나타내고, 상대 굴절률의 값은 별다른 말이 없는 한 "%" 단위로 주어진다.
본원에서 도파관 섬유의 "분산"을 의미하는 "색 분산(chromatic dispersion)"은 별다른 말이 없는 한, 재료 분산, 도파관 분산 및 다 모드 분산(inter-modal dispersion)의 합이다. 단일 모드식 도파관 섬유의 경우에서, 다 모드 분산은 제로이다. 분산 기울기는 파장에 대한 분산의 변화율이다.
"실효 면적"은 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00002
인테그레이션 리미트(integration limits)는 0 내지 ∞이고, f는 도파관에서 전파된 광에 연관된 전계의 횡 성분(transverse component)이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "실효 면적" 또는 "Aeff"는 별다른 말이 없는 한 1550 nm의 파장에서의 광 실효 면적을 의미한다.
용어 "α-프로파일" 또는 "알파 프로파일"은 "%" 단위인 Δ(r)의 항으로 표기되는 상대 굴절률 프로파일을 의미하고, 여기서 r은 반경을 나타내며, 식은 다음과 같다.
Figure pct00003
여기서 r0은 Δ(r)가 최대가 되는 알파 프로파일을 따른 지점이고, r1은 Δ(r)가 최소가 되는 알파 프로파일을 따른 지점이고, r의 범위는 ri ≤ r ≤ rf이고, Δ는 상기에서 정의되고, ri는 α-프로파일의 시작점이고, rf는 α-프로파일의 최종점이고, α는 실수인 지수이다.
모드 필드 지름(mode field diameter, MFD)은 Peterman II 방법을 사용하여 측정되며, 2w = MFD이고,
Figure pct00004
이며, 인테그랄 리미트(integral limits)는 0 내지 ∞이다.
도파관 섬유의 내굴곡성(bend resistance)은 규정된 테스트 조건 하에 유도된 감쇠에 의해 측정될 수 있고, 예를 들면, 규정된 직경의 주축(mandrel) 주위로 섬유를 배치하거나 감쌈으로써, 측정될 수 있다.
굽힘 테스트의 한 유형은 측 방향 하중 마이크로벤드 테스트(lateral load microbend test)이다. 이는 "측 방향 하중" 테스트라고 하며, 도파관 섬유의 규정 길이는 2 개의 평평한 판들 간에 위치한다. #70 와이어 메시(wire mesh)는 판들 중 하나에 부착된다. 광 도파관 섬유의 공지된 길이는 판들 사이에 속하고, 기준 감쇠는 판이 30 뉴톤의 힘으로 가압되는 동안 측정된다. 그 후, 70 뉴톤의 힘은 판에게 가해지게 되고, 감쇠의 증가는 dB/m으로 측정된다. 감쇠의 증가는 도파관의 측 방향 하중 감쇠이다.
"핀 어레이(pin array)" 굽힘 테스트는 광 도파관 섬유의 상대 저항을 구부리는 것에 비교하기 위해 사용된다. 이러한 테스트를 실행하기 위해, 감쇠 손실은 도파관 섬유에 대해 측정되며, 이때에는 기본적으로 굽힘 손실이 유도되지 않는다. 그 후, 광 도파관 섬유는 핀 어레이 주위에서 짜이게 되고, 감쇠는 다시 측정된다. 굽힘에 의해 유도된 손실은 측정된 2 개의 감쇠 간의 차이다. 핀 어레이는 일반적으로 단일 열로 배치된 일련의 원통형 핀들이고, 고정된 수직 방향 위치로 평평한 표면 상에 유지된다. 중심 간의 핀 공간은 5 mm이다. 핀 직경은 0.67 mm이다. 테스트하는 동안, 광 도파관 섬유가 핀 표면의 일부에 일치하도록 충분한 장력은 가해진다.
주어진 모드에 있어서, 이론적인 섬유 컷오프 파장 또는 "이론적인 섬유 컷오프", 또는 "이론적인 컷오프(theoretical cutoff)"는 유도 광(guided light)이 그 모드에서 전파될 수 없는 파장이다. 수식 정의는 Single Mode Fiber Optics, Jeunhomme, pp. 39-44, Marcel Dekker, New York, 1990에서 발견될 수 있고, 이론적인 섬유 컷오프는 모드 전파 상수가 외부 클래딩의 평면파 전파 상수와 같아지게 되는 파장으로 정의된다. 이러한 이론적인 파장은, 직경 변화가 없고 무한히 길며 완전히 직선형으로 된 섬유에 적합하다.
유효 섬유 컷오프는 굽힘 및/또는 기계적인 압력에 의해 유도된 손실로 인하여 이론적인 컷오프보다 낮다. 이와 같은 정황에서, 컷오프는 보다 높은 LP11 및 LP02 모드를 의미한다. LP11 및 LP02는 일반적으로 측정에 있어서 구분되지 않지만, 그러나, 이들 둘 다는 스펙트럼 측정의 단계에서 분명하게 구분되고, 즉, 파워는 측정된 컷오프보다 긴 파장의 모드에서 관찰되지 않는다. 실제 섬유 컷오프는, "2m 섬유 컷오프" 또는 "측정된 컷오프"라고도 알려진 표준 2m 섬유 컷오프 테스트, FOTP-80(EIA-TIA-455-80)에 의해 측정될 수 있어서 "섬유 컷오프 파장"을 만들어 낸다. FOTP-80 표준 테스트는 제어되는 굽힘 양을 사용하여 고차 모드(higher order modes)를 제거하거나(strip out), 섬유의 스펙트럼 응답을 멀티모드 섬유의 스펙트럼 응답에 정규화시키기 위해 실행된다.
케이블형 컷오프 파장 또는 "케이블 컷오프"는 케이블 환경에서 높은 레벨의 굽힘 및 기계적인 압력으로 인해 측정된 섬유 컷오프보다도 낮다. 실제 케이블형 조건은, EIA-TIA Fiber Optics Standards, 즉, FOTP의 것으로 보다 일반적으로 알려진 Electronics Industry Alliance--Telecommunications Industry Association Fiber Optics Standards의 부분인 EIA-445 Fiber Optic Test Procedures에 기술된 케이블형 컷오프 테스트에 가까워질 수 있다. 케이블형 컷오프 측정은 EIA-455-170 Cable Cutoff Wavelength of Single-mode Fiber by Transmitted Power, 또는 "FOTP-170"에 기술된다.
본원에서 별다른 말이 없는 한, 광 속성(예를 들면, 분산, 분산 기울기 등)은 LP01 모드로 보고된다. 본원에서 별다른 말이 없는 한, 1550 nm의 파장은 기준 파장이다.
본원에 기술된 실시예에 따라서, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 광 도파관 섬유(10)는 코어(12), 코어(12)를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩(14)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 클래딩(14)은 순수 실리카(pure silica)이고, 코어(12)는 하나 이상의 도펀트로 도핑된 실리카이다. 특히 바람직한 실시예에서, 코어(12)는 상대 굴절률에서 원하는 변화를 얻기 위해 Ge(예를 들면, 3.5-4.2 몰 %의 Ge) 등의 굴절률 증가 도펀트(index increasing dopant)로 도핑된다. 코어(12)는 붕소 또는 불소 등의 하나 이상의 굴절률 감소 도펀트로 선택적으로 도핑될 수도 있다. 바람직하게, 코어(12)의 직경은 약 9 ㎛로부터 약 16 ㎛까지 변화된다. 바람직하게, 광 섬유(10)의 클래딩(14)의 외경은 약 125 ㎛이다. 바람직하게, 클래딩 영역(14)은 적어도 약 40 ㎛의 외부 반경을 가진다. 통상적으로, 섬유는 폴리머 코팅 층(layers of polymer coatings)(16 및 18)으로 코팅될 수 있다.
광 도파관 섬유(10)의 코어(12)는 중심선으로부터 반경(R1)으로 외부 방향을 향해 방사상으로 연장되고, % 단위로 표기되는 상대 굴절률 프로파일(Δ(r))을 가지며, 최대 상대 굴절률 퍼센트는 Δ1 MAX이다. R1은 Δ(r)이 Δ1 MAX로부터 외부 방향을 향해 방사상으로 진행하여 0.02 %에 우선적으로 이르는 반경에서 일어나기 위해 정의된다.
본원에서 기술된 바와 같이 광 섬유의 대표 실시예의 굴절률 프로파일(프로파일 1)은 도 2에 도시되고, 도 2는 타겟 프로파일(target profile)(20), 및 타겟 프로파일에 대응하기 위해 제조되는 실제 코어 케인 프로파일(actual core cane profile)(22)을 도시한다. 도 2에 도시된 실시예의 프로파일의 파라미터는 [표 1]에 나타난다.
[표 1]
Figure pct00005
도 2에 도시된 실시예의 모델화된(예측된) 성능 파라미터들은 [표 2]에 나타난다.
[표 2]
Figure pct00006
본원에서 개시된 바와 같이 광 섬유의 추가적인 대표 실시예의 굴절률 프로파일은 24 (프로파일 2), 26 (프로파일 3), 28 (프로파일 4), 및 30 (프로파일 5)으로 도 3에 도시된다. 도 3에 도시된 실시예의 프로파일 파라미터는 [표 3]에 나타난다.
[표 3]
Figure pct00007
도 3에 도시된 실시예의 모델화된(예측된) 성능 파라미터들은 [표 4]에 나타난다. [표 4]에 나타난 감쇠 값은, 이하에서 보다 상세하게 기술된 바와 같이, 처리 영역을 통하여 섬유를 통과시키는 단계를 포함하는 처리 방법으로부터 나온 결과로 예측된 값이다.
[표 4]
Figure pct00008
본원에 개시된 광 섬유는 알파(α)가 2.5 보다 큰 알파 프로파일을 가지고, 예를 들면, 알파(α)가 2.5 보다 크고 3.0 보다 작은 알파 프로파일을 가지고, 바람직하게는, 예를 들면, 알파(α)가 2.5보다 크고 2.7보다 작은 알파 프로파일을 가지며, 더 바람직하게는, 알파(α)가 2.6보다 크고 2.9보다 작은 알파 프로파일을 가지며, 그리고 보다 바람직하게는, 알파(α)가 2.6보다 크고 2.7보다 작은 알파 프로파일을 가진다. 이러한 범위 내의 알파 값은 달성될 수 있는 것보다 낮은 감쇠의 레벨을 제공할 수 있다.
바람직하게, 알파 프로파일의 시작점(ri)은 반경이 1 ㎛ 미만이고, 알파 프로파일의 최종점(rf)은 반경이 적어도 3 ㎛이고, 예를 들면, 알파 프로파일에서 시작점(ri)은 반경이 0.5 ㎛ 미만이고, 최종점(rf)은 반경이 적어도 4 ㎛이고, 더 바람직하게는, 알파 프로파일에서 시작점(ri)은 반경이 0.25 ㎛ 미만이고, 최종점(rf)은 반경이 적어도 5 ㎛이다. 도 2에 도시된 실시예에서, ri에서 Δ(r)은 0.35 %보다 크고 rf에서 Δ(r)은 0.05 %보다 작다. 도 3에 도시된 실시예에서, ri에서 Δ(r)은 적어도 0.35 %이고, rf에서 Δ(r)은 적어도 0.20 %이고, 추가로 적어도 0.25 %를 포함하고, 나아가 적어도 0.30 %도 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, rf + 0.5 ㎛에서의 Δ(r)은 rf에서의 Δ(r)보다 적어도 0.10 %작고, 예를 들면, rf에서의 Δ(r)보다 적어도 0.15 %작고, 바람직하게는, rf에서의 Δ(r)보다 적어도 0.20 %작고, 보다 바람직하게는, rf에서의 Δ(r)보다 적어도 0.25 %작다. 도 3에 도시된 것과 대응되는 바람직한 실시예는, 알파(α)가 2.5보다 크고 3.0보다 작고 ri가 0 내지 0.5 ㎛이고 rf가 3.5 내지 4.5 ㎛이고 ri에서 Δ(r)이 0.35 % 내지 0.40 %이고 rf에서 Δ(r)이 0.20 % 내지 0.33 %이고 rf + 0.5 ㎛에서 Δ(r)이 0.02 % 내지 0.10 %인 실시예를 포함한다.
본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 0.30 %보다 큰 Δ1 MAX를 가지고, 또한 바람직하게 0.40 %보다 작은 Δ1 MAX를 가지고, 예를 들면, 0.30 % < Δ1 MAX < 0.40 %이고, 더 바람직하게, 0.35 % < Δ1 MAX < 0.40 %이며, 그리고 보다 바람직하게는 0.36 % < Δ1 MAX < 0.39 %이다.
본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 약 4 내지 12 ㎛인 R1을 가지고, 예를 들면, 5 ㎛ < R1 < 10 ㎛이고, 보다 바람직하게는 6 ㎛ < R1 < 8 ㎛이다.
본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 10 ㎛보다 크고 모든 반경에 대해 0.01 %보다 작은 Δ(r), 예를 들면, 8 ㎛보다 크고 모든 반경에 대해 0.01 %보다 작은 Δ(r)을 가지며, 더 바람직하게는 7 ㎛보다 크고 모든 반경에 대해 0.01 %보다 작은 Δ(r)을 가진다.
도 2 및 3에 도시된 실시예에 대응되는 광 섬유는 상대적으로 제조하기 용이하고, 이러한 섬유에 비해 감쇠 및 굽힘 손실을 낮게 제공하면서, Coming의 SMF-28? 및 SMF-28e? 광 섬유로 충족되는 업계 표준 성능 요건을 만족시킬 수 있다.
예를 들면, 도 2 및 3에 도시된 실시예를 포함하여, 본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 1310 nm의 파장에서, 약 8.8 내지 9.6 ㎛의 모드 필드 지름, 보다 바람직하게는 약 9.0 내지 9.4 ㎛의 모드 필름 지름을 제공한다. 본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 1550 nm의 파장에서, 약 9.8 내지 11.0 ㎛의 모드 필드 지름, 보다 바람직하게 약 10.0 내지 10.8 ㎛의 모드 필드 지름을 제공한다. 본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 1310 nm의 파장에서, 약 60 내지 70 ㎛2의 실효 면적, 보다 바람직하게 약 62 내지 68 ㎛2의 실효 면적을 제공한다. 본원에 개시된 광 섬유는 1550 nm의 파장에서, 약 75 내지 90 ㎛2의 실효 면적, 보다 바람직하게 약 78 내지 86 ㎛2의 실효 면적을 제공한다. 본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 약 1300 내지 1335 nm, 보다 바람직하게 약 1302 내지 1322 nm의 제로 분산 파장(λ0)을 가진다. 본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 약 0.089 ps/(nm2·km) 이하의 제로 분산 기울기를 가진다. 본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 1550 nm의 파장에서, 18.0 ps/(nm·km)보다 낮은 분산을 가진다. 본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 1300 nm 이하의 케이블 컷오프 파장, 예를 들면, 1260 nm 이하의 케이블 컷오프 파장, 더 바람직하게 1220 nm 이하의 케이블 컷오프 파장, 보다 바람직하게 1200 nm 이하의 케이블 컷오프 파장, 그리고 특히나 바람직하게 1180 nm 이하의 케이블 컷오프 파장을 가진다.
도 2 및 3에 도시된 실시예를 포함하여 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.331 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.328 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.270 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.190 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.325 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.323 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.264 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.186 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
보다 바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.324 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.322 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.263 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.185 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
특히 보다 바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.323 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.310 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.260 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.184 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
여전하게 보다 바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.323 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.300 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.255 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.182 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
나아가 바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.327 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.303 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.259 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.187 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
보다 바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.327 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.303 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.259 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.185 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
특히 보다 바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.326 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.302 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.258 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.184 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
여전하게 보다 바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 1310 nm의 파장에서 0.324 dB/km보다 낮은 감쇠, 1383 nm의 파장에서 0.300 dB/km보다 낮은 감쇠, 1410 nm의 파장에서 0.256 dB/km보다 낮은 감쇠, 및 1550 nm의 파장에서 0.183 dB/km보다 낮은 감쇠를 가진다.
본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 1550 nm의 파장에서 10 dB보다 낮은 핀 어레이 매크로벤드 손실, 더 바람직하게는 1550 nm의 파장에서 9.5 dB보다 낮은 핀 어레이 매크로벤드 손실, 보다 더 바람직하게는 1550 nm의 파장에서 9 dB보다 낮은 핀 어레이 매크로벤드 손실을 가진다.
본원에 개시된 광 섬유는 바람직하게 1550 nm의 파장에서 0.7 dB/m보다 낮은 측 방향 하중 마이크로벤드 손실, 더 바람직하게는 1550 nm의 파장에서 0.65 dB/m보다 낮은 측 방향 하중 마이크로벤드 손실, 보다 더 바람직하게 1550 nm의 파장에서 0.6 dB/m보다 낮은 측 방향 하중 마이크로벤드 손실을 가진다.
바람직한 실시예에서, 본원에 개시된 광 섬유는 처리 영역을 통하여 섬유를 통과함으로써 제조되고, 이때 상기 처리 영역은, 섬유가 실온 공기(즉, 약 25 ℃의 공기)로 섬유의 냉각율보다 느린 속도로 냉각되는 인발 노(draw furnace)로부터 아래에 있는(downstream) 영역을 정의한다. 바람직하게, 처리 영역에서 빠져나가는 섬유의 표면 온도는 적어도 약 1,000 ℃이다.
처리 영역에서 섬유의 평균 냉각율은, 처리 영역을 향한 섬유의 입구 지점에서의 섬유 표면 온도(섬유 입구 표면 온도) 빼기 처리 영역 외부를 향한 섬유의 출구 지점에서의 섬유 표면 온도(섬유 출구 표면 온도)를 처리 영역에서의 섬유의 총 체류 시간으로 나눈 것으로 정의된다. 바람직한 실시예에서, 처리 영역에서의 섬유의 평균 냉각율은 섬유 온도가 적어도 1,000 ℃인 경우, 예를 들면, 섬유 온도가 1,250 ℃ 내지 1,750 ℃인 경우, 5,000 ℃/s 미만이고, 추가로 2,500 ℃/s 미만, 나아가 1,000 ℃/s 미만이다.
적어도 하나의 실시예에서, 처리 영역은 처리 노(treatment furnace)를 포함한다. 일 실시예에서, 처리 노는 인발 노로부터 실질적으로 바로 아래에 배치되었지만, 본 발명은 처리 노가 인발 노로부터 실질적으로 바로 아래에 배치된 실시예에 제한되지 않는다. 바람직한 실시예에서, 처리 노는 섬유가 빠져나가는 위치에서 인발 노의 말단에 직접 부착됨으로써, 밀봉은 처리 노와 인발 노의 말단 사이에서 바람직하게 형성된다. 이는 공기가 인발 노를 향해 들어가는 원치 않는 입구를 최소화시킨다.
도 4는 본원에 개시된 바와 같이 광 섬유의 제조에 사용될 수 있는 광 섬유 형성 장치(300)를 도시한다. 장치(300)는 일반적으로, 인발 노(112), 처리 노(350), 및 인발된 섬유에 장력을 가하고 트랙터 어셈블리(tractor assembly)와 같은 장력 조정부(tensioning station)(128)를 포함한다. 장치(300)는, 예를 들면, 도핑된 유리 예비성형체(doped glass preform)(110)로부터 나온 미가공 상태인(bare) 광 섬유(10)를 처리하도록 사용될 수 있다. 특히, 인발 노(112)는 미가공 광 섬유(10)를 형성하기 위해 사용될 수 있고, 그 후 처리 노(350)는 인발된 섬유(10)를 처리하기 위해 사용될 수 있다. 장력 조정부(128)는 섬유(10)의 원하는 장력을 제어 및 유지하는 기능을 한다. 추가적인 종래의 공정 단계에는 접촉하지 않는 직경 측정 장치(non-contact diameter measurement apparatus), 나아가 섬유 냉각 장치, 1 차 및 2 차 섬유 코팅물을 도포 및 경화시키는 섬유 코팅 및 경화 장치, 및 스풀 윈딩 장치(spool winding apparatus) 등이 포함될 수 있다. 상기와 같은 추가적인 공정 단계는 통상적인 것이라 명료성의 이유로 제시되지 않는다. 추가로, 적외선 경보 시스템(iris) 또는 이동가능한 도어 기계장치(moveable door mechanism)는 처리 노를 향한 공기 입구의 크기를 최소화시키기 위해 처리 노의 하부에서 사용될 수 있다.
유리 예비성형체(110)는 도핑된 실리카 유리로 형성되고, 바람직하게는 적어도 게르마늄으로 도핑된 실리카 유리로 형성되는 것이 바람직하다. 예비성형체(110)를 형성하는 방법 및 장치는 기술 분야의 통상의 기술자에게 널리 공지되어 손쉽게 인식될 수 있다. 상기와 같은 방법은 IVD, VAD, MCVD, OVD, PCVD 등을 포함한다.
인발 노(112)는 바람직하게 하우징(322)을 포함하고, 상기 하우징은 예비성형체를 둘러싸고, 하우징의 하부 말단 상에 고정된 플랜지(flange)(323)를 가지고, 상기 플랜지(323)는 인발 노(112)의 출구 벽으로 기능을 한다. 축대 개구부(axial opening)(324)는, 섬유(10)가 통과하고 이전에 떨어진 유리 고브(glass gob)가 통과할 수 있는 플랜지(323)에서 정의된다. 환형 슬리브와 같은 서셉터(susceptor)(326)(예를 들면, 흑연으로 형성됨)는 인발 노(112)를 통하여 연장되고, 통로(330)를 정의한다. 통로(330)는 광 섬유 예비성형체(110)를 수용 및 유지하도록 구성된 상부 섹션, 및 유리가 녹아 예비성형체(110)로부터 인발될 시에 인발된 섬유(10)가 통과하는 하부 섹션을 포함한다. 인발될 시에 형성되는 고브는 이 섹션도 통과한다. 통로(330)의 하부 섹션은 개구부(324)와 연통한다. 중공 출구 원뿔체(hollow exit cone)(339)는 바람직하게 개구부(324) 상에 위치된다. 환형 부도체(annular insulator)(332) 및 유도 코일(들)(336)은 서셉터(326)를 둘러싼다.
적합한 비활성 형성 가스(FG), 예를 들면 헬륨은 적합한 유량 주입구(338)를 통하여 약 1 대기압으로 통로(330)를 향해 들어갈 수 있고, 아래로 흘러서 개구부(324)를 통하여 인발 노(112) 외부로 나가게 된다. 기술되고 제시된 바와 같이, 인발 노(112)는 적합한 인발 노의 예일 뿐, 기술 분야의 통상의 기술자라면, 예를 들면, 다른 유형의 가열 기계장치, 서셉터 및 절연체 등을 사용하여 인발 노의 다른 설계 및 구조도 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
다시, 도 4를 참조하면, 서로 마주보는 유량 통로(348)는 플랜지(323)를 통하여 방사상으로 연장되고 플랜지의 상부 표면(323A)에 있는 개구부에서 마감된다. 통로(348)는 또한 플랜지(323)를 통하여 수직 방향으로 연장되고, 원뿔체(339)의 외주면에 인접하여 마감된다. 형성 가스(FG)는 통로(348)의 개구부를 통하여 추가로 공급되고, 원뿔체(339) 주위까지 흘러들어가 원뿔체(339)의 중심 개구부를 통하여 다시 아래로 흐르게 된다. 형성 가스(FG)는 예를 들면, 헬륨 가스(He), 질소 가스(N2), 아르곤 가스(Ar), 또는 다른 적합한 비활성 가스일 수 있다.
처리 노(350)는 아래에 위치되고, 바람직하게는 플랜지(323)에 상호 연결된다. 처리 노(350)는, 하나 이상의 환형 가열 소자(368)를 구비한 가열 유닛(360)을 포함한다. 가열 소자는 예를 들면, 전기 저항체 또는 유도 가열 코일일 수 있다. 개구부(352A 및 354A)는 처리 노의 상부 말단 및 하부 말단(352 및 354) 각각에서 정의된다. 인발로(draw path)를 따른 개구부는 인발될 시에 유리 고브가 통과하여 떨어질 수 있기에 충분히 크다. 말단(352, 354) 및 슬리부(346)는 처리 노(350)용 하우징으로서 기능을 한다. 그러나, 인식될 수 있는 바와 같이, 다른 하우징 구성 및 구성 부재는 사용될 수도 있다. 처리 노(350)는 파스너(fasteners) 등의 적합한 수단에 의해 인발 노(112)의 플랜지(323)에 고정되는 것이 바람직하다.
일반적인 원통형 스풀(cylindrical spool) 또는 튜브(362)는 가열 유닛(360)에 배치된다. 실질적인 순수 실리카 석영 유리, 세라믹 및/또는 탄소 물질로 구성될 수 있는 스풀 또는 튜브(362)는 통로(362A)를 정의하고, 서로 마주보는 말단에 위치한 한 쌍의 플랜지(즉, 석영 플랜지)(362B)를 가진다. 플랜지(362B)는 스풀(362)을 형성하기 위해 튜브의 말단에 불꽃 처리로 용접될 수 있다. 제 1 흑연 가스켓(graphite gasket)(364)은 플랜지(352)의 하부 표면과 상부 플랜지(362B) 사이에 개재된다. 제 2 흑연 가스켓(364)은 하부 플랜지(354)와 하부 플랜지(362B) 사이에 개재된다.
공급용 통로(366A)를 가진 가스 링(gas rings)(366)은 흑연 가스켓들(364)을 둘러싸고, 퍼지 가스(purge gas)(PG)가 흑연 가스켓들(364)을 향하여 안내되도록 구성된 작은 천공을 가진다. 퍼지 가스(PG)는 공기가 흑연 가스켓들(364)에 노출되지 못하거나 그 노출을 감소시키기 위해 제공될 수 있고, 예를 들면, 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N2), 또는 다른 적합한 비활성 가스일 수 있다.
퍼지 가스용 부재(359)는 플랜지(354)의 하부 표면에 부착된다. 퍼지 가스(PG)는 아래로부터 통로(362A)로 공기가 들어가지 못하도록 퍼지 튜브 통로(359A)로 펌핑한다.
튜브(362)의 통로(362A)는, 인발될 시에 형성된 유리 고브가 용이하게 떨어지도록, 바람직하게 통로의 길이를 따라 각처에 12 mm보다 큰 직경 치수(D), 바람직하게는 약 12 mm 내지 80 mm의 직경 치수, 보다 바람직하게는 45 mm 내지 80 mm의 직경 치수를 가진다.
장력 조정부(128)는 인발된 섬유(10)의 장력을 제어하기에 적합한 장치일 수 있다. 바람직하게는, 장력 조정부(128)는 마이크로프로세서를 포함하고, 상기 마이크로프로세서는 하나 이상의 섬유 장력 및/또는 직경 센서(미도시)로부터 나온 입력물을 연속적으로 수신하고, 필요에 따라 섬유(10)의 장력을 적용하도록 동작된다. 바람직한 실시예에서, 지시받은 장력은 메모리에 저장된 설정된 직경과 동일한 직경을 제어하는 것을 기반으로 한다.
장치(300)는 처리된 광 섬유(10)를 제조하기 위해 다음의 방식으로 사용될 수 있다. 노 유도 코일(furnace induction coil)(336)은 미리 선택된 인발 온도(TD)로 광 섬유 예비성형체(110)의 첨단(302A)을 가열시키는데 동작된다. 바람직하게, 인발 온도(TD)는 약 1,800 ℃ 내지 2,200 ℃의 범위에 속한다. 보다 바람직하게, 인발 온도(TD)는 약 1,900 ℃ 내지 2,050 ℃의 범위에 속한다. 예비성형체 첨단(302A)은 선택된 인발 온도(TD)로 유지되고, 그 결과, 인발된 섬유(10)는 인발 방향(V)으로 첨단(302A)에서 연속적으로 인발되고, 상기 인발 방향은 수직 방향으로 아래를 향한다. 섬유(10)는 상술된 바와 같이, 계산된 인발 장력(FD)으로 유지되되, 장력 조정 장치(370) 또는 다른 적합한 장력 적용 장치를 이용하여 유지되고, 그 결과, 섬유의 설정된 직경(통상적으로 125 ㎛)은 미리 정의된 공차 영역(tolerance band) 내에서 충족된다. 형성 가스(FG)(예를 들면, 헬륨)는 상부 주입구(338)로부터 나와 통로(330, 324, 352A, 362A, 354A)를 통하여 퍼지 튜브 통로(359A)를 통해 외부로 나가도록 펌핑된다.
처리 장치(350)가 인발 노(112)의 개구부(324)에 실질적으로 바로 인접하여 고정되는 것이 바람직하기 때문에, 인발된 섬유(10)는 섬유(10)가 인발 노(112)에서 빠져나갈 시에 보다 차가운 공기권(ambient air)에 의해 급랭되지 않는 것(not quenched)이 바람직하다. 나아가, 인발 노에서 산소를 얻는 가능성은 감소되고, 이로 인해, 흑연 서셉터(326)의 저하 가능성은 최소화된다. 미가공 광 섬유(10)는 통로(324)를 통과하고 가열 유닛(360)에 의해 실질적으로 바로 가열된다. 가열 유닛(360)은 선택된 온도 범위(T1 내지 T2) 내의 처리 온도(TT)로 섬유(10)의 온도를 유지시킨다. 하한 온도(T1)는 약 1,100 ℃ 내지 1,400 ℃인 것이 바람직하고, 상한 온도(T2)는 약 1,200 ℃ 내지 1,800 ℃인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 하한 온도(T1)는 약 1,150 ℃ 내지 1,350 ℃이고, 상한 온도(T2)는 약 1,300 ℃ 내지 1,700 ℃이다. 또한, 섬유(10)가 통로(362A)를 통과할 시에, 섬유(10)는 선택된 처리 장력(FT)으로 유지된다. 바람직하게, 처리 장력(FT)은 약 25 내지 200 그램이다. 보다 바람직하게, 처리 장력(FT)은 약 75 내지 175 그램이다. 처리 영역의 길이(L)는, 인발된 섬유(10)가 선택된 체류 처리 시간(tT) 동안, 선택된 온도 범위(T1 내지 T2) 내에서 유지되도록 선택된다. 처리된 섬유(10)는 하부 개구부(354A)를 통하여 처리 노(350)에서 빠져나가고, 바람직하게는 추가적인 공정 스테이션(processing stations)(추가적인 냉각, 계측, 코팅 등)을 향하여 아래 방향으로 연속적으로 진행한다.
바람직하게, 인발 노(112) 및 처리 노(350)는 관련되어 구성되고 고정되고, 가스는 통로(330)로부터 개구부(359A)로의 기밀식 경로를 제공하도록 공급된다.
바람직한 실시예에서, 처리 노(350)는 처리 노(350)의 축대 길이를 따라 이격된 복수의 개별적인 가열기를 포함한다. 각각의 가열기는 섬유를 둘러싸고, 바람직하게는 제어기에 의해 개별적으로 제어된다. 가열 처리 단계 동안, 섬유는 다수의 가열 영역으로부터 나온 열로 가열되고; 다수의 가열 영역의 가열 영역들(각각의 영역은 가열기의 물리적인 크기에 대략적으로 대응함) 중 적어도 하나는 다수의 가열 영역들 중 또 다른 것에 비해 온도 차가 나도록 설정된다. 바람직하게, 각 가열기의 벽 온도는, 가열 영역들 중 적어도 하나가 600 ℃ 내지 1,500 ℃의 통로 온도를 가지도록, 제어기에 의해 제어된다. 바람직한 동작 모드에서, 인발 노(112)에 인접한 제 1 영역은 상기 제 1 영역의 중심에서 600 ℃ 내지 1,200 ℃의 통로 온도를 가지도록 제어되는 반면, 인발 노로부터 이격된 제 2 영역은 900 ℃ 내지 1,500 ℃의 통로 온도를 가지도록 제어된다. 실제 벽 온도는, 원하는 섬유 출구 표면 온도 조건이 원하는 냉각율을 제공하는데 이루어지도록 설정될 것이다. 사용된 가스가 헬륨과는 다른 것인 경우, 예를 들면, 벽 온도는 하한 온도로 설정되는데, 이는 아르곤의 열 전도성, 및 아르곤 및 헬륨의 혼합물이 낮은 열 전도성 계수를 가지기 때문이며, 그러므로 보다 큰 온도차가 노의 통로 온도와 섬유 온도 간에서 요구되어 냉각율은 동일해질 수 있다.
적어도 하나의 바람직한 실시예에서, 처리 노(350)의 가열 소자는 Kanthal로부터 구입가능한 몰리디실리사이드(molydisilicide) 고온 가열 소자인 것이 바람직하다.
적어도 하나의 또 다른 실시예에서, 처리 영역은 수동 처리 어셈블리(passive treatment assembly)를 포함한다. 일 실시예에서, 수동 처리 어셈블리는 인발 노로부터 실질적으로 바로 아래에 배치되지만, 본 발명은 수동 처리 어셈블리가 인발 노로부터 실질적으로 바로 아래 배치된 실시예에 제한되지 않는다. 바람직한 실시예에서, 수동 처리 어셈블리는, 섬유가 빠져나가는 위치에서 인발 노의 말단에 직접 부착됨으로써, 밀봉은 수동 처리 어셈블리와 인발 노의 말단 사이에서 바람직하게 형성된다. 이는 공기가 인발 노를 향해 들어가는 원치 않는 입구를 최소화시킨다.
도 5는 본원에 개시된 바와 같이 광 섬유의 제조에서 사용될 수 있는 대안적인 광 섬유 형성 장치(400)를 도시한다. 광 섬유 형성 장치(400)는 인발 노(112)에 대응하는 인발 노(112)를 포함한다. 처리 노(350) 대신에, 장치(400)는 수동 처리 어셈블리(450)를 포함한다. 어셈블리(450)는 가열 모듈(heating module)(360)에 대응하는 가열 장치를 상기 어셈블리의 임의의 부분에 포함하지 않는다는 점에서 "수동적"이다. 다른 말로 하면, 섬유는 능동 가열 모듈의 도움없이 제어된 속도로 냉각된다.
장치(400)는 인발 노(112) 및 장력 조정부(128)에 대응하는 인발 노(112) 및 장력 조정부(128)를 각각 포함한다. 바람직하게, 인발 노(112)는 흑연 서셉터를 가진 유형에 속한다. 수동 처리 어셈블리(450)는 상부 플랜지(454)를 가진 튜브형 머플(tubular muffle)(452)을 포함한다. 머플(452)은, 플랜지(454)의 홀(holes)을 통하여 연장되어 말단 벽(423)에 체결되는 볼트 또는 다른 파스너(명료성의 이유로 미도시)를 이용하여 노(112)의 하부 말단 벽(423)에 직접 부착된다. 머플(452)은 금속, 예를 들면 스테인리스 강 또는 알루미늄 등의 금속으로 형성되는 것이 바람직하다.
머플(452)은 상부 개구부(456)를 제 1 말단에서 정의하고, 대향하는 하부 개구부(458)를 제 2 말단에서 정의하고, 통로(452A)는 이들 개구부들 사이에서 연장된다. 바람직하게, 통로(452A)의 직경(E)은 실질적으로 균일하고, 12 mm보다 크고, 더 바람직하게, 약 12 mm 내지 80 mm이고, 가장 바람직하게는 45 내지 80 mm이다. 상부 개구부(456)는 인발 노(112)의 하부 개구부(424)와 연통한다. 축의 방향으로 이격된 복수의 공급 포트(459)는 머플(452)의 측 벽에서 형성되고 머플의 길이를 따라 통로(452A)와 연통한다.
처리 가스 유량 시스템(460)은 머플(452)과 함께 동작되고, 유체가 통하도록 머플(452)에 연결된다. 처리 가스 유량 시스템(460)은 처리 가스 공급부(461)를 포함하고, 상기 처리 가스 공급부는 처리 가스 공급부(461)를 포함하고, 상기 처리 가스 공급부는 매니폴드(manifold) 또는 도관(462)에 의하여 포트(459) 각각과 함께 동작되고, 유체가 통하도록 포트(459) 각각에 연결된다. 처리 가스 공급부(461)는 선택된 처리 가스(TG)의 공급부, 및 도관(462) 및 공급 포트(459)를 통하여 통로(452A)로 힘을 충분하게 가하기 위해 처리 가스(TG)를 가압시키는데 동작되는 펌프를 포함한다. 처리 가스 공급부(461)는 처리 가스(TG)를 가열시키기 위해 가열 유닛을 선택적으로 포함할 수 있다. 그러나, 바람직하게 처리 가스는 약 20 ℃에서 공급된다.
장치(400)는 처리된 광 섬유(10)를 형성하기 위해 다음의 방식으로 사용될 수 있다. 인발 노(112) 및 장력 조정부(128)를 사용하여, 광 섬유(10)는 열 에이징 결함(heat aging defect)을 만들어내는데 충분한 인발 온도 및 인발 장력을 이용하여, 장치(300)에 관하여 상술된 방식으로 예비성형체(110)로부터 인발된다. 섬유(10)가 인발될 시에, 형성 가스(FG)는 도 4에 도시된 것과 동일한 주입구를 통하여 들어가게 된다. 형성 가스는 예비성형체(110) 및 섬유(10) 주위의 통로(430)를 통하여 흐르고, 노 말단 벽(423)의 개구부(424)를 통해, 그리고 개구부(456)를 통하여 통로(452A)의 제 1 말단으로 흘러들어간다.
인발된 섬유(10)는 노(112)에서 빠져나갈 시에 바로 머플(452)의 통로(452A)로 들어간다. 섬유(10)가 통로(452A)를 통과할 시에, 처리 가스(TG)는 도 5의 화살표로 나타난 바와 같이, 축 방향으로 이격된 적어도 2 개의 공급 포트(459)를 통하여, 처리 가스 공급부(461)로부터 통로(452A)로 펌핑된다. 처리 가스는 다양한 단계에서 통로(452A)로 흘러들어가고 형성 가스(FG)와 함께 혼합된다. 바람직하게, 처리 가스(TG)는, 약 120×10-6 cal/(sec)(cm)2(℃/cm) 미만, 보다 바람직하게는 25 ℃에서 약 65×10-6 cal/(sec)(cm)2(℃/cm) 미만의 열전도율(k)을 가진다. 처리 가스(TG)와 형성 가스(FG)의 혼합물은 통로(452A)를 통하여 흘러들어가게 되고 제 2 말단 개구부(458)를 통하여 빠져나가게 된다.
처리 가스(TG)는 형성 가스(FG)보다 낮은 열전도율을 가진다. 처리 가스(TG)의 열전도율은 형성 가스(FG)의 열전도율의 40 % 미만, 보다 바람직하게는 20 % 미만인 것이 바람직하다. 처리 가스(TG)는 질소 또는 아르곤인 것이 바람직하지만, 크립톤 또는 크세논을 포함할 수도 있다.
인발되는 섬유(10)는 통로(452A)를 통하여 인발될 시에, 인발된 섬유(10)는 통로(452A)에서 장치(300)에 대해 상술된 바와 같이, 선택된 체류 시간(tT) 동안 선택된 온도 범위(T1-T2)로 유지되면서, 선택된 처리 장력(FT), 및 섬유(10)의 처리 온도(TT)로 유지된다. 장치(300)에 대해 상술된 방식으로, 선택된 처리 장력(FT), 온도 범위(T1-T2), 및 체류 시간(tT)은 섬유(10)의 열 에이징 결함을 줄이거나 제거시키도록 함께 연동하여 선택되고, 이로 인해, 처리되는 미가공 광 섬유(10)는 제공된다. 장치(400)의 경우에서, 수동 처리 장치(450)의 통로(452A) 길이(M)는 섬유(10)의 인발 속도를 고려하여 원하는 체류 시간(tT)을 제공하도록 선택된다.
처리 가스(TG)의 낮은 열전도율은 인발된 섬유(10)로부터의 열전달을 느리게 하거나 인발된 섬유(10)의 냉각 처리를 느리게 하고, 그 결과, 섬유(10)는 통로(452A)에 있는 동안 선택된 온도 범위(T1-T2)로 유지된다. 처리 가스(TG)의 유량, 난류 및 온도는 원하는 냉각율을 제공하기 위해 적합하게 선택될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 따라서, 처리 영역의 원하는 냉각율은 1,200 ℃ 내지 1,500 ℃의 온도 범위에서 1,000 ℃/sec 내지 3,500 ℃/sec에 속할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 인발 노(112) 및 처리 영역(130)(예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같은 처리 노(350) 또는 도 5에 도시된 바와 같은 수동 처리 어셈블리(450)를 포함할 수 있음)은 도 6에 도시된 바와 같이 광 섬유를 제조하는 시스템(108)에 통합된다. 광 섬유(10)가 처리 영역(130)을 빠져나가게 될 시에, 광 섬유는 적어도 하나의 고정 유체 베어링(116)(도 6에 복수의 유체 베어링으로 도시됨)과 접촉되고, 실질적인 제 1 또는 수직방향 통로(Y)를 따라 이동하여 제 2 통로(Z)로 이동한다. 도시된 바와 같이, 제 2 통로(Z)는 제 1 통로에 대해 수평 방향 또는 수직 방향으로 배향되지만, 본원에 기술된 시스템 및 방법은 보호 코팅물이 도포되기 전에 비선형 경로를 따라서 광 섬유를 다른 방향으로 전환시킬 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 6에 도시된 실시예에서, 광 섬유(10)는 유체 베어링(116)을 통과하여, 코팅 유닛(120)에서 처리되고, 이때 상기 코팅 유닛에서 1 차 보호 코팅 층(121)은 광 섬유(10)의 외부 표면에 도포된다. 코팅 유닛(120)에서 나간 후, 보호 층(121)이 있는 광 섬유(더 이상 미가공 상태가 아님)는 시스템(미도시) 내의 다양한 다른 공정 단계를 통하여 진행될 수 있다. 광 섬유가 도 6에 도시된 전체 시스템에 걸쳐 인발되어 결국 섬유 스토리지 스풀(fiber storage spool) 상에 감길 시에, 인발 기계장치(128)는 광 섬유 상에 필요한 장력을 제공하도록 사용될 수 있다.
광 섬유(10)가 유체 베어링(116)(본원에서 이하에 기술됨)에 걸쳐 이동하는 경우, 각 유체 베어링(116) 상의 유체 쿠션(fluid cushion) 영역은 광 섬유(10)를 냉각시킨다. 예를 들면, 도 6를 참조하면, 처리 영역(130)을 빠져나가는 광 섬유(10)는 유체 베어링(116)으로 들어갈 시에 약 500 ℃ - 1500 ℃의 온도를 가질 수 있다. 일부 바람직한 실시예에서, 광 섬유(10)는, 섬유 온도가 1,300 ℃ 미만, 보다 바람직하게는 1,200 ℃ 미만, 일부 실시예에서는 1,100 ℃ 미만인 지점에서 유체 베어링(116)으로 들어가게 된다. 유체 베어링이 광 섬유를 공급하는 이동식 유체 스트림을 사용하기 때문에, 광 섬유는 실온에서 움직임이 없는 공기에 섬유가 냉각되는 것보다 빠른 속도로, 예를 들면, 인발 노의 바로 바깥쪽에 존재할 시에 빠른 속도로 냉각된다. 유체 베어링의 유체(바람직하게는 실온 공기)와 광 섬유 간의 온도차가 클수록, 광 섬유(10)를 냉각시키는 유체 베어링의 성능은 커지게 된다. 또 다른 실시예에서, 유체 베어링(116)을 통하여 배출된 유체는 실제로 광 섬유를 보다 빠른 속도로 냉각시키도록 냉각될 수 있다. 유체 쿠션 영역과 연관된 유체는 광 섬유(10)에 충분한 냉각 처리를 제공할 수 있고, 그 결과, 광 섬유는 코팅 유닛(120)으로 직접 이동될 수 있으며, 보호 층은 코팅 섬유(121)를 제조하도록 광 섬유(10)의 외부 표면에 도포될 수 있다. 일 실시예에서, 유체 베어링(116)의 유체 쿠션 영역은 광 섬유(10)에 대해 반응하지 않는 유체(예를 들면, 공기, 헬륨)를 포함할 수 있다.
도 7은 본원에 개시된 바와 같이, 광 섬유를 제조하는데 사용될 수 있는 베어링 어셈블리(216)의 실시예를 도시한다. 도 7에 도시된 실시예에서, 베어링 어셈블리(216)(가끔 "유체 베어링"이라고도 함)는 제 1 판(230), 제 2 판(232), 내부 부재(236), 및 제 1 판과 제 2 판 중 적어도 하나에 있는 적어도 하나의 개구부(234)를 포함한다. 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)은 금속으로 구성될 수 있고, 아치형 외부 표면(238, 239)을 포함하고, 서로 마주보는 양 측면 상에 위치할 수 있다. 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)은, 유체가 베어링 어셈블리(216)를 통과할 수 있도록 판(230, 232)을 서로 연결시키는 파스너(예를 들면, 볼트(240))로 연결된다. 각 판(230, 232)의 아치형 외부 표면(238, 239)은 일반적으로 각 판(230, 232) 각각의 원주를 따라 위치한다. 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 각각은 내면(242, 244) 및 외면(243, 245) 각각을 가지고, 판(230, 232)의 내면(242, 244)은 서로 정렬된다. 오목부(247)는 유체 유동에 플래넘(plenum)을 제공하기 위해 제 1 판(230) 또는 제 2 판(232)의 내면(242, 244) 주위로 적어도 부분적으로 연장된다. 또 다른 실시예에서, 오목부는 다양하게 구성될 수 있어서, 본원의 이하에서 개시된 바와 같이, 균일한 흐름을 섬유 공급 채널(250)로 제공할 수 있다.
제시된 실시예에서, 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 아치형 외부 표면(238, 239)은 실질적으로 바람직하게 정렬되고, 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 양쪽 판의 외부 표면들(238, 239) 간의 영역을 형성한다. 이 영역은 광 섬유를 수용하도록 구성됨으로써, 광 섬유는 베어링 어셈블리의 회전 없이 이러한 영역을 따라 이동할 수 있다. 이러한 섬유 공급 채널(250)은 도 8에 도시된 실시예에서 보다 명확하게 도시된다(본원의 이하에서 개시됨). 적어도 하나의 개구부(234)는 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 중 적어도 하나를 통과한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 개구부(234)는 유체(예를 들면, 공기, 헬륨 또는 원하는 다른 가스 또는 액체)가 베어링 어셈블리(216)를 통하여 공급되도록 함으로써, 유체는 제 1 판(230)과 제 2 판(232) 간에 형성된 섬유 공급 채널(250)에서, 베어링 어셈블리(216)로부터 빠져나갈 수 있다.
게다가, 도 7의 실시예에 도시된 바와 같이, 베어링 어셈블리(216)는 제 1 판(230)과 제 2 판(232) 사이에 위치한 내부 부재(236)를 포함할 수 있다. 이러한 내부 부재(236)(예를 들면, 심(shim)(237))은 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 외부 표면들(238, 239) 사이의 영역으로 유체를 안내하는데 도움을 주도록 구성되고, 그 결과, 유체는 미리 결정된 유동 방향을 가진 섬유 공급 채널(250)에서 빠져나가게 된다. 내부 부재(236)는 제 1 판(230)과 제 2 판(232) 사이에 위치되어, 이들 사이의 갭을 제공할 수 있다. 내부 부재(236)는, 유체가 미리 결정된 유동 방향을 가진 섬유 공급 채널(250)로부터 빠져나가도록, 유체를 안내한다. 원한다면, 내부 부재(236)는 방사상 방향이 아닌 방향으로 흘러가는 것을 억제하여 유체 유동을 더 제어하도록 복수의 핑거(fingers)(미도시)를 포함할 수 있다. 게다가, 내부 부재(236)는 제 1 판(230)과 제 2 판(232) 간의 실질적인 접촉을 제공하기 위해 밀봉부로서 기능을 한다. 내부 부재는 광 섬유의 진입 및 배출을 용이하게 하는 노치(notches)도 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 외부 표면들(238, 239) 간에서 형성된 섬유 공급 채널(250)은, 유체가 제 1 판(230)과 제 2 판(232) 판 사이의 빠져가는 곳에서 테이퍼링될 수 있다. 그러나, 또 다른 실시예에서, 섬유 공급 채널(250)은 예를 들면, 평행하거나 역행 방향으로 테이퍼링된 형상체를 포함할 수 있다. 게다가, 테이퍼링된 섬유 공급 채널(250) 내의 개구부(260)는 광 섬유(10)가 수직 방향으로 위치되는 곳에 따라 변화가능하다. 바람직하게, 개구부(260) 및 섬유 공급 채널(250)은, 특정 인발 장력 및 사용된 인발 속도, 및 개구부(260)를 통한 유체의 유량에 있어, 광 섬유가 500 미만, 보다 바람직하게 400 미만, 보다 더 바람직하게 300 미만, 가장 바람직하게는 200 미만의 미크론 폭을 가진 섬유 공급 채널(250)의 섹션에 유지되도록(이 경우 섬유는 외경이 통상적으로 125 미크론임), 구성된다. 이로써, 섬유는 섬유 직경의 1 내지 2 배, 보다 바람직하게는 섬유 직경의 1 내지 1.75 배, 가장 바람직하게는 섬유 직경의 1 내지 1.5 배인 채널(250)의 영역 내에서 유지되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 섬유는 상기 채널의 영역 내에 위치함으로써, 외부 섬유와 각 벽 간의 거리는 섬유 직경의 0.05 내지 0.5 배이다.
본원에 개시된 유체 베어링은 광 섬유가 유체 쿠션 영역을 따라 이동가능케 함으로써, 광 섬유와 베어링 어셈블리 간의 실제 기계적인 접촉을 방지하거나, 또는 실질적으로 방지한다. 예를 들면, 섬유는 판(230 또는 232)과의 접촉 없이 섬유 공급 채널(250) 내로 이동한다. 게다가, 상기 영역의 크기 및 구성으로 인해, 유체 베어링은 인발 장력 범위를 통하여 기계적인 접촉 없이 영역 내에서 섬유를 유지시킬 수 있되, 유체 유동의 능동 제어 없이 유지시킬 수 있다. 도 8을 참조하면, 유체 유동은 중요할 수 있는데, 광 섬유(10)가 섬유 공급 채널(250)의 하부를 향해 이동하지 못하도록 하고, 섬유 공급 채널(250)의 심(237) 또는 측면과 접촉되지 못하도록 하다는 점에서 그러하다. 이는 광 섬유가 여전하게 미가공 상태로 되는 경우에 있어 특히나 중요하기 때문에, 섬유 품질은 베어링 어셈블리와의 기계적인 접촉으로 인해 불이익을 받지는 않는다.
섬유 공급 채널(250) 내의 섬유 위치에 영향을 미치는 다른 요인은 인발 장력을 포함한다. 예를 들면, 200g의 장력으로 끌어 당겨진 섬유는 유체 유동이 동일하다고 한 경우, lOOg의 장력으로 끌어 당겨진 섬유보다 낮게 떠 있되, 섬유 공급 채널(250) 내에 낮게 떠 있을 것이다. 상기와 같이, 유체 베어링 영역에서 빠져나가는 유체가 특정 섬유 인발 속도 및 사용된 인발 장력에 대해 원하는 위치에 광 섬유를 유지시키는데 충분하다는 점에서 중요하다.
유체 베어링(116)의 반경은 중요하지 않다. 일부 실시예에서, 각각의 유체 베어링은 섬유 회전 반경이 약 8 내지 16 cm이 되도록 구성된다. 보다 크거나 보다 작은 반경 유체 베어링이 사용될 수 있거나, 추가적인 유체 베어링이 예를 들면 보다 큰 냉각 처리의 필요 여부(이 경우 유체 베어링의 반경이 큰 것이 바람직할 수 있음), 또는 섬유 인발 공정의 제한에 따라, 사용될 수 있다(예를 들면, 도 1에 도시됨).
바람직한 실시예에서, 광 섬유는 15 m/s 이상, 바람직하게는 25 m/s 이상, 더 바람직하게는 35 m/s 이상의 인발 속도로 인발된 후에, 5,000 ℃/s 미만의 평균 냉각율, 예를 들면, 500 ℃/s 내지 5,000 ℃/s의 평균 냉각율(500 ℃/s 내지 2,500 ℃/s의 평균 냉각율을 포함하고, 500 ℃/s 내지 1,000 ℃/s의 평균 냉각율을 더 포함함)을 처리 영역에서 광 섬유에 적용하면서, 처리 영역에 광 섬유를 유지시킴으로써 광 섬유를 열 처리한다.
도 6에 도시된 실시예에서, 처리 영역(130)의 길이는 바람직하게 약 2 m 내지 10 m이고, 보다 바람직하게는 약 3 m 내지 8 m이고, 예를 들면, 약 4 m 내지 6 m이다. 바람직한 길이는 섬유(10)의 인발 속도에 따라 달라질 것이고, 인발 속도의 범위 예는 약 5 m/s 내지 약 45 m/s이고, 예를 들면, 약 10 m/s 내지 약 35 m/s(약 15 m/s 내지 약 25 m/s를 포함함)이다. 처리 영역(130)으로부터 아래에 위치한 유체 베어링(116)(도 6에 도시됨)의 존재는 처리 영역(130)이 보다 긴 길이를 가지도록 가능케 한다. 보다 긴 길이를 갖는 처리 노(350)는 차례차례 낮은 감쇠를 갖는 광 섬유의 제조를 가능케 한다.
바람직한 실시예에서, 처리 영역(130)에서, 광 섬유(10)의 체류 시간은 0.05 초 내지 0.50 초, 예를 들면, 0.10 초 내지 0.35 초, 더 예를 들면, 0.15 초 내지 0.25 초의 범위에 속한다.
본원에 개시된 바와 같이, 광 섬유를 처리 영역에 통과시키는 단계를 포함하는 방법은 도 4에 도시된 바와 같은 능동 가열 어셈블리, 또는 도 5에 도시된 바와 같은 수동 가열 어셈블리를 포함할 수 있고, 능동 또는 수동 가열 어셈블리는 도 6에 도시된 바와 같이, 베어링 어셈블리 단독으로 사용될 수 있거나, 상기 베어링 어셈블리와 함께 결합하여 사용될 수 있다. 본원에 개시된 공정 단계에 이어, 추가적인 공정 단계에는, 예를 들면, 기술 분야의 공지된 방법을 이용하여 표준 듀테륨 처리가 사용될 수도 있다.
본원에 개시된 실시예는 다음 예에 의해 보다 명확하게 나타난다.
예 1
약 430 km의 광 섬유는 도 2에 도시된 프로파일에 대응되는 굴절률 프로파일을 가지도록 제조된다. 광 섬유는 도 4에 도시된 것과 유사한 광 섬유 형성 장치를 사용하여 제조되고, 처리 노는 인발 노로부터 아래에 위치하고, 처리 노의 가열된 부분은 약 1.5 미터의 길이, 및 약 600 ℃의 벽 온도 설정치(setpoint)를 가진다. 섬유는 약 150 그램의 인발 장력으로, 약 14 m/s의 인발 속도에서 인발된다. 광 섬유용 측정 성능 파라미터는 [표 5]에 나타나 있다. [표 5]로부터 볼 수 있는 바와 같이, 측정 감쇠 값은 [표 2]에서 나타난 모델화된(예측된) 값보다 낮다.
[표 5]
Figure pct00009
기술 분야의 통상의 기술자에게 있어 명백한 바와 같이, 다양한 변형 및 변화는 본 발명의 기술 사상 및 권리 범위를 벗어남 없이 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 코어 및 클래딩을 포함하며,
    상기 코어는 % 단위로 표기되는 상대 굴절률 프로파일(Δ(r))을 가지고,
    상기 코어는 시작점(ri) 및 최종점(rf)을 갖는 알파 프로파일, 최대 상대 굴절률(Δ1 MAX), 및 외부 반경(R1)을 포함하고, 이때 알파(α)는 2.5보다 크고 3.0보다 작으며,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 감쇠가 1310 nm의 파장에서 0.331 dB/km 미만, 1383 nm의 파장에서는 0.328 dB/km 미만, 1410 nm의 파장에서는 0.270 dB/km 미만, 그리고 1550 nm의 파장에서는 0.190 dB/km 미만인 섬유를 구비한 광 도파관 섬유.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Δ1 MAX는 0.30 % < Δ1 MAX < 0.40 %인 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 감쇠가 1310 nm의 파장에서 0.325 dB/km 미만, 1383 nm의 파장에서는 0.323 dB/km 미만, 1410 nm의 파장에서는 0.264 dB/km 미만, 그리고 1550 nm의 파장에서는 0.186 dB/km 미만인 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 알파(α)는 2.6 < 알파(α) < 2.9인 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 핀 어레이 매크로벤드 손실(pin array macrobend loss)이 1550 nm의 파장에서 10 dB 미만인 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 측 방향 하중 마이크로벤드 손실(lateral load microbend loss)이 1550 nm의 파장에서 0.7 dB/m 미만인 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 감쇠가 1310 nm의 파장에서 0.323 dB/km 미만, 1383 nm의 파장에서는 0.300 dB/km 미만, 1410 nm의 파장에서는 0.255 dB/km 미만, 그리고 1550 nm의 파장에서는 0.182 dB/km 미만인 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 알파 프로파일의 시작점(ri)은 반경이 1 ㎛ 미만이고,
    상기 알파 프로파일의 최종점(rf)은 반경이 적어도 4 ㎛인 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  9. 청구항 1에 있어서,
    rf에서의 Δ(r)은 적어도 0.2 %인 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  10. 청구항 9에 있어서,
    rf + 0.5 ㎛에서의 Δ(r)은 rf에서의 Δ(r)보다 적어도 0.10 % 작은 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 케이블 컷오프 파장(cable cutoff wavelength)이 1260 nm 이하인 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 모드 필드 지름이 1310 nm의 파장에서 약 8.8 내지 9.6 ㎛이고 1550 nm의 파장에서는 약 9.8 내지 11.0 ㎛인 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 실효 면적이 1310 nm의 파장에서 약 60 내지 70 ㎛2이고 1550 nm의 파장에서는 약 75 내지 90 ㎛2인 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 약 1302 내지 1322 nm인 제로 분산 파장(zero dispersion wavelength)(λ0), 및 약 0.089 ps/(nm2·km) 이하인 제로 분산 기울기(zero dispersion slope)을 갖는 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 1550 nm의 파장에서 18.0 ps/(nm·km) 미만인 분산을 갖는 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 광 도파관 섬유.
  16. 광 섬유를 제조하는 방법에 있어서,
    가열된 유리 공급부로부터 광 섬유를 인발시키는 단계; 및
    처리 영역에서 광 섬유에 5,000 ℃/s 미만의 평균 냉각율을 적용하면서 상기 처리 영역에서 광 섬유를 유지시킴으로써, 상기 광 섬유를 처리하는 단계로서, 이때 상기 처리 영역에서의 평균 냉각율은 섬유 입구 표면 온도에서 섬유 출구 표면 온도를 뺀 값을 상기 처리 영역에서의 광 섬유의 총 체류 시간으로 나눈 것으로 정의되는 처리 단계를 포함하며,
    상기 처리 영역에서 빠져나가는 광 섬유의 표면 온도는 적어도 약 1,000 ℃이고,
    상기 광 섬유는 코어 및 클래딩을 가지고,
    상기 코어 및 상기 클래딩은, 감쇠가 1310 nm의 파장에서 0.323 dB/km 미만, 1383 nm의 파장에서는 0.310 dB/km 미만, 1410 nm의 파장에서는 0.260 dB/km 미만, 그리고 1550 nm의 파장에서는 0.184 dB/km 미만인 섬유를 구비한 광 섬유 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 처리 영역의 길이는 적어도 약 5 미터인 것을 특징으로 하는 광 섬유 제조 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 광 섬유는 25 m/s 이상의 인발 속도로 인발되는 것을 특징으로 하는 광 섬유 제조 방법.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 가열된 유리 공급부로부터 광 섬유를 인발시키는 단계, 및 상기 처리 영역에서 광 섬유를 처리하는 단계는 제 1 경로를 따라 이루어지고,
    상기 광 섬유 제조 방법은:
    유체 베어링의 유체의 영역에 미가공 광 섬유를 접촉시키는 단계로서, 상기 유체 베어링은 채널을 포함하고, 상기 채널은 적어도 2 개의 측벽으로 정의되고, 상기 광 섬유는 상기 채널의 영역 내에 유지되고, 이때 상기 채널의 영역은 상기 채널 내의 광 섬유 아래에 존재하는 압력차의 결과로 인해, 실질적으로 상기 광 섬유가 상기 채널 내에 떠 있도록 하고, 상기 유체로 일어난 고압에 의해 발생된 압력차는 상기 광 섬유 위에 존재하는 압력과 비교하여 상기 채널 내의 광 섬유 아래에 공급되는 접촉 단계; 및
    상기 미가공 광 섬유가 유체 쿠션의 영역을 거쳐 인발될 시에, 상기 광 섬유를 제 2 경로에 따르도록 전환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유 제조 방법.
  20. 청구항 16에 따른 광 섬유 제조 방법에 의해 만들어진 광 섬유.
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