KR20130006654A - 광섬유를 제조하기 위한 방법 및 관형 반제품 - Google Patents

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Abstract

코어 존, 상기 코어 존을 둘러싸는 내부 자켓 존, 및 상기 내부 자켓 존을 둘러싸는 링 존을 포함하는 섬유가 얻어지는 것에 기초하여, 석영 유리 블랭크 또는 석영 유리 요소의 동축 그룹을 연신함으로써 광섬유를 제조하기 위한 방법이 공지되어 있다. 이로부터 기인하여, 본 발명에 따른, 코어와 자켓 사이의 고품질의 경계 및 낮은 굽힘 감도를 특징으로 하는 광섬유의 비용 효율적인 제조를 위한 방법, 관형 반제품 및 동축 요소의 그룹을 제공하기 위하여, 링 존의 실리카 유리는 적어도 6000 wt.ppm의 평균 플루오린 함유량을 갖는 실리카 유리로 제조된 링 존 관의 형태로 제공되고, 상기 관은 내부 관 표면 및 외부 관 표면을 가지며, 상기 링 존 관의 벽을 통해 적어도 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이하의 층 두께를 갖는 내부 플루오린 공핍층을 갖는 방사상의 플루오린 농도 프로파일이 조절되고, 상기 플루오린 함유량은 내부 관 표면을 향해 감소하며, 1 ㎛의 두께를 갖는 표면에 근접한 영역에서 3000 wt.ppm 이하이다.

Description

광섬유를 제조하기 위한 방법 및 관형 반제품{METHOD AND TUBULAR SEMI-FINISHED PRODUCT FOR PRODUCING AN OPTICAL FIBER}
본 발명은 석영 유리 모재(preform) 또는 석영 유리 요소의 동축 어셈블리(coaxial assembly)를 연신함으로써 광섬유를 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 섬유는 굴절률 nK를 갖는 코어 존, 상기 코어 존을 오버 클래딩하고 굴절률 nMi를 갖는 내부 클래딩 존, 상기 내부 클래딩 존을 둘러싸고 굴절률 nF를 갖는 도핑된 석영 유리로 구성된 링 존(ring zone), 뿐만 아니라 상기 링 존을 둘러싸는 외부 클래딩 존을 포함하고, 여기서 nF ＜ nMi ＜ nK이다.
또한, 본 발명은 광섬유를 제조하기 위한 관형(tubular) 반제품에 관한 것이다.
광섬유 내에 유도된 발광신호의 감쇠(attenuation)는 그 중에서도 섬유의 굽힘에 따라 변경된다. 작은 굽힘 반경(bending radii)은 증가된 광 감쇠에 영향을 준다. 신호 손실은 굽힘 강화 광섬유(bending-insensitive optical fiber)를 사용하여 감소될 수 있다. 이러한 섬유는 수년 동안 알려져 왔고, 가정까지의 광 섬유 네트워크(fiber-to-the-home; FTTH)를 설치하는데 보다 많은 관심을 기울이고 있다. 이러한 적용에서, 특히 작은 굽힘 반경은 공간 제약 또는 미적 요구 때문에 종종 바람직하다.
이러한 굽힘 강화 광섬유는 WO 2010/003856 A1호에 기재되어 있고, 여기에 상술한 종류에 따른 섬유에 대한 제조 방법도 개시되어 있다. 굽힘 강화 광섬유는 굴절률 nK를 갖는 코어 존, 상기 코어 존을 오버 클래딩하고 굴절률 nMi를 갖는 클래딩 존, 상기 클래딩 존을 둘러싸고 굴절률 nF를 갖는 플루오린-도핑된 석영 유리로 구성된 링 존, 뿐만 아니라 상기 링 존을 둘러싸고 굴절률 nMa를 갖는 도핑되지 않은 석영 유리로 구성된 외부 층을 포함하고, 방사상 굴절률 프로파일을 야기하며, 여기서 nMa ＞ nF ＜nMi ＜ nK이다. 상기 섬유는 석영 유리 모재 또는 석영 유리 요소의 동축 어셈블리를 연신함으로써 얻어지며, 관형 또는 로드-형상의 기판체 상에서 링 존 층은 적어도 1 ㎜의 층 두께 및 굴절률 nF ≤ 1.4519를 갖는 플루오린-도핑된 석영 유리로 제조되므로, 링 존의 석영 유리는 플라즈마 외부 디포지션 공정으로 제조된다.
효율적인 제조 방법을 얻고 폐기물 위험을 최소화하기 위해, 섬유의 각 요소가 별개의 방법 단계로 제조되고 최종 단계에서만 결합되는 경우가 유리하다.
이러한 방법은 EP 1 712 934 A1호에 기재되어 있으며, 여기에 상술한 종류에 따른 반제품도 기재되어 있다. 큰 체적을 갖는 모재를 제조하기 위해, 오로지 다수의 관형 또는 로드-형상의 개별 요소로 이루어진 반제품이 제공된다. 개별 요소는 끝과 끝이 스택된 세그먼트를 결합하여 형성되고 내부 오버클래드 관 안에 배열된 코어 로드로 구성된다. 내부 오버클래드 관은 외부 오버클래드 관으로 둘러싸인다. 요소들은 서로 동축으로 배열되고, 연신 공정에서 광섬유로 직접 인발(drawing)된다.
염소, 알루미늄 또는 철과 같은 금속 불순물 및 히드록실기는 인발되는 섬유의 광 전송에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 이들의 영향을 최소화하기 위해, 내부 오버클래드 관은 고순도의 값비싼 석영 유리 품질을 나타낸다. 한편, 반제품의 비용을 낮게 유지하기 위해서, 외부 오버클래드 관은 보다 높은 불순물 농도를 가져야만 한다고 제안되었다.
개별 요소의 분리 제조 및 섬유 인발 공정에서의 최종 결합은 광섬유의 저렴한 제조 및 폐기물 위험 감소에 도움이 된다는 것은 사실이다. 그러나, 이는 결합되는 개별 요소 사이의 추가 표면 및 계면을 자동적으로 야기하고, 계면 문제를 증가시키며, 계면 품질의 요구를 증가시킨다. 계면 영역에서 기포의 형성을 특별히 주의해야 한다.
DE 10 2008 047 736 B3호는 코어 로드를 오버클래딩하기 위한 플루오린-도핑된 석영 유리 관의 사용을 기재한다.
US 6,263,706 B1호는 SiO2 수트 관에서 플루오린-농도 프로파일을 설정하기 위한 방법을 기재한다. 플루오린 함유 도핑 기체는 수트 관의 외벽을 따라 통과되고, 기체와 헬륨은 내부 보어(bore)를 통해 통과하지 않으므로, 수트 관은 맨드릴의 제거 후에 기상을 통해 바람직하게 플루오린 도핑된다. 형성된 굴절률 프로파일은 관 중심에서 최대값을 가져서 실질적으로 포물선 모양이 된다.
DE 600 04 778 T2호는 졸-겔-루트를 통해 플루오린-도핑된 석영 유리체의 제조를 기재한다. 플루오린 도핑은 플루오린 함유 초기 기판에 졸(sol), 바람직하게 테트라메틸암모늄 플루오라이드를 첨가하여 수행된다. 실린더형 석영 유리를 소결 후에, 굴절률이 외부에서 내부로 감소(이에 따라, 플루오린 농도가 외부에서 내부로 증가)하는 경우, 샘플은 굴절률 곡선을 나타낸다. 가장 높은 플루오린 농도는 중심에서 얻어진다. 에지에서 플루오린 농도의 감소는 가열로 인한 플루오린 손실 때문이다.
US 3,981,707 A호는 플루오린 농도가 관 중심에서 최대값을 갖고 내부 관 벽 및 외부 관 벽을 향하여 감소하는 경우에 불균일한 방사상 플루오린 농도 프로파일을 갖는 플루오린-도핑된 석영 유리 관을 붕괴시킴으로써 광섬유 제조를 기재한다. 플루오린 도핑된 석영 유리로 구성된 관이 고온에서 처리되므로, 관 표면이 없는 영역에서 플루오린 공핍이 형성된다.
DE 101 55 134 C1호는 모재를 제조하기 위한 방법을 기재하며, 코어 로드는 사전결정된 클래딩/코어 비율로 수소가 없는 분위기에서 POD(플라즈마 외부 디포지션) 공정에 의해 수트 층으로 제공되고, 수트 층은 이후 건조되고 유리화된다. 30 wt.ppb 미만의 히드록실기 함유량 및 코어 로드에 무결점 접촉 면이 클래딩 유리에서 얻어진다.
본 발명의 목적은 코어와 클래딩 사이에 고품질의 계면 및 낮은 굽힘 감도를 특징으로 하는 광섬유를 저렴한 비용으로 제조하기 위한 방법 및 관형 반제품을 제공하는 것이다.
제조 방법에 대해, 상술한 방법으로부터 시작된 본 목적은, 링 존의 석영 유리가 적어도 6000 wt.ppm의 평균 플루오린 함유량을 갖는 석영 유리로 구성된 링 존 관(ring zone tube) 형태로 제공되고, 상기 링 존 관은 내부 관 표면 및 외부 관 표면으로 형성된 벽을 가지며, 상기 링 존 관의 벽 상에 방사상 플루오린 농도 프로파일이 설정되고, 상기 프로파일은 적어도 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이하의 층 두께를 갖는 내부 플루오린 공핍층을 가지며, 상기 플루오린 함유량은 상기 내부 관 표면을 향하여 감소하고 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 근처 영역에서 3000 wt.ppm 이하인, 본 발명에 따라 얻어진다.
본 발명에 따르면, 링 존을 위한 석영 유리는 적어도 하나의 플루오린 도핑된 석영 유리 관(본원에서 "링 존 관(ring zone tube)"이라 칭함)의 형태로 제공된다.
SiO2 입자가 직접 플루오린 도핑되어 석영 유리 관으로 직접 유리화되는 소위 플라즈마 외부 디포지션(POD; plasma outside deposition) 공정의 도움으로, 또는 이후 플루오린으로 도핑되고 소결되는 SiO2 수트체의 빌드업으로 실리콘-함유 출발 화합물의 가수분해 또는 열분해에 의한 CVD 방법의 도움으로 플루오린 도핑된 석영 유리 관이 제조된다.
다른 개별 요소, 즉, 섬유의 외부 클래딩 존을 제조하기 위한 도핑된 또는 도핑되지 않은 석영 유리의 외부 클래딩 관 및 섬유의 내부 클래딩 존과 코어 존을 제조하기 위한 코어 로드는 별개의 공정으로 제조될 수도 있고, 이후 섬유를 제조하기 위한 동축 요소의 어셈블리 형태로 배열될 수 있다. 이후, 동축 어셈블리는 모재로 붕괴되거나, 연신되거나, 섬유로 직접 연신된다. 모재가 먼저 제조된다면, 상기 모재는 별개의 방법 단계에서 광섬유로 인발된다. 이 공정에서 또는 그전에, 예를 들어 관 형태로 추가 석영 유리를 첨가함으로써 또는 외부 디포지션 방법에 의해 추가 클래딩 물질로 제공될 수 있다.
단일 모드의 섬유에서, 클래딩 유리 보다 낮은 굴절률을 갖는 플루오린 도핑된 석영 유리의 링 존은 라이트 모드(light mode)의 추가 전도에 영향을 준다. 표준 단일 모드(standard monomode) 섬유와 비교하여 모드 필드 직경(mode field diameter)에서 초과 변형을 방지하기 위해, 링 존은 코어로부터 약간의 거리를 가지며, 즉, 링 존은 내부 클래딩 유리 존에 의해 상기 코어로부터 분리된다. 따라서, 링 존은 표준 단일 모드 섬유와의 상용성을 손상시키지 않는 링 존이 없는 표준 섬유와 비교하여 섬유 굽힘 중에 손실의 감소에 영향을 준다. 이는 링 존을 갖는 굽힘 강화 섬유가 표준 섬유와 연결되는 경우에 중요하다.
접촉 면이 코어 존을 향해 형성되는 경우에, 내부 관 표면을 향해 감소하는 방사상 플루오린 농도 프로파일을 갖는 벽 상에 플루오린이 도핑된 링 존 관이 제공되는 것은 중요하다. 이것은 연신 공정에서 코어 로드를 포함하는 계면 상의 기포 형성을 실질적으로 감소시키는 것으로 알려졌다. 링 존 관의 에지 부분에서 플루오린 농도가 감소된 영역은 이하 "플루오린 공핍층(fluorine depletion layer)"으로 불린다.
플루오린으로 도핑하는 것은 링 존의 석영 유리의 굴절률 감소에 영향을 준다. 광섬유의 높은 굽힘 강화를 위하여, 높은 플루오린 농도 및 코어 로드와 링 존 사이의 가파른 굴절률 점프가 유리하다. 따라서, 플루오린 함유량은 적어도 6000wt.ppm으로 설정되고, 최대 15,000 wt.ppm의 양일 수 있다. 도핑되지 않은 석영 유리와 비교하여 플루오린을 도핑하여 성취된 굴절률 감소는 도핑되지 않은 석영 유리의 굴절률에 비해 적어도 2×10-4이다.
그러나, 한편 계면 상의 기포와 관련된 문제는 링 존 관의 증가하는 평균 플루오린 함유량 내에서 증가한다. 이런 이유로, 플루오린 공핍층의 기포-감소 효과는 높은 평균 플루오린 함유량의 경우에 특히 현저하다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 6000 wt.ppm 이상의 높은 평균 플루오린 함유량을 갖는 링 존 관에서 특히 현저하다. 관 벽을 가로지르는 분광 분석법에 따른 플루오린 농도는 링 존 관의 평균 플루오린 함유량으로서 이해된다. 플루오린 공핍층은 비교적 얇은 두께로 인해 상당히 현저하지는 않다.
플루오린으로 도핑하는 것은 링 존의 석영 유리의 굴절률 감소에 영향을 준다. 상술한 바와 같이, 코어 로드와 링 존 사이의 가파른 굴절률 점프는 광섬유의 높은 굽힘 강화에 유리하다. 플루오린 농도 구배 및 이에 따른 방사상 굴절 구배는 이 점에서는 그 자체로는 바람직하지 않다. 그러나, 놀랍게도, 10 ㎛ 미만의 층 두께가 허용되고 섬유의 굽힘 강화 및 계면의 품질 사이의 적절한 타협을 나타내는 것을 알아내었다. 그러나, 1 ㎛ 미만의 층 두께에서는, 감소된 기포 형성에 관한 상당한 효과가 없다.
플루오린 공핍층에서 플루오린 함유량이 적을수록, 링 존 관의 접촉 면 상의 기포 형성에 대한 문제가 적어진다. 이 점에 대하여, 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 근처 영역에서 플루오린 공핍층은 3000 wt.ppm 이하의 플루오린 함유량을 갖는다. 표면 근처 영역에서 특히 낮은 플루오린 함유량은 적은 기포 형성에 실질적으로 기여한다.
플루오린 공핍층은 링 존 관의 석영 유리 내에서 플루오린의 최대 농도의 80% 미만인 플루오린 농도를 갖는 층 두께로 형성된다. 마찬가지로, 플루오린 공핍 표면 근처 영역은 링 존 관의 석영 유리 내에서 플루오린의 최대 농도의 80% 미만인 플루오린 농도를 갖는 층 두께로 형성된다.
결정적인 것은 코어 로드를 향하는 플루오린 농도 프로파일의 감소이다. 그러나, 플루오린 농도가 외부 관 표면을 향해 감소하는 외부 플루오린 공핍층을 또한 포함하는 링 존 관의 벽 상에서 링 존 관에 방사상 플루오린 농도 프로파일이 제공되는 경우 유리하다는 것을 알아내었다.
이는 링 존과 외부 클래딩 존 사이의 계면 상의 감소된 기포 형성을 야기한다. 외부 플루오린 공핍층의 치수, 플루오린 농도의 가파른 감소, 및 내부 플루오린 공핍층의 경우보다 표면 근처 영역에서의 최대 농도에 대해 보다 덜 엄격하게 요구된다. 내부 플루오린 공핍층에 대해 이미 상기에서 추가로 설명된 치수, 프로파일 및 농도는 외부 플루오린 공핍층에 대해 임의의 비율로 적합하다.
플루오린 공핍층이 4 ㎛ 미만의 층 두께를 갖는 경우에 유리하다고 판명되었다.
4 ㎛ 미만의 층 두께는 섬유의 굽힘 강화 및 링 존 관의 내부 계면 품질 사이의 특히 적합한 타협이 된다.
바람직하게, 링 존 관은 내부 관 표면 및 외부 관 표면 상에 플루오린 공핍 영역을 형성하는 동안 플루오린 도핑된 석영 유리로부터 베이스 관을 인발함으로써 도구 없이 제조된다.
그러나, 베이스 관의 가열 및 표면 근처 층에서 플루오린의 외부-확산을 동반하는 것은 일반적으로 내부 표면 및 외부 표면 상에 플루오린 공핍을 야기하며, 평탄한 온도 구배를 일으킨다. 플루오린 외부-확산은 온도를 선택함으로써 그리고 베이스 관의 연신 동안 지속 가열함으로써 설정될 수 있어서, 플루오린 공핍층은 상술한 치수 및 농도 프로파일로 얻어진다. 지속 온도/가열의 적합한 매개변수 쌍은 당해 업자의 몇 가지 테스트로 결정될 수 있다.
추가 지표는 인발된 링 존 관의 외부 직경이고, 바람직하게 베이스 관의 외부 직경의 10-50%의 범위이며; 일반적으로, 30-70 mm 범위의 외부 직경을 얻고, 외부 직경 대 내부 직경의 실린더 비율은 베이스 관에서보다 링 존 관에서 0.2 내지 0.8 더 적다.
대안적으로, 링 존 관은 원하는 두께 및 사전 결정된 플루오린 농도 프로파일을 갖는 플루오린 공핍층을 제조하기 위한 별도의 방법 단계에서 제조된 후에 가열된다. 또한, 링 존 관이 가열되는 경우에, 플루오린 외부-확산은 몇 가지 시험 동안 온도 및 지속적인 가열을 선택하여 설정될 수 있다.
인발 공정에서 베이스 관을 가열하는 것 또는 링 존 관을 가열하는 것은 수소가 없는 분위기에서 전기 가열기로 바람직하게 수행된다.
이는 링 존 관 표면 근처 영역으로 히드록실기의 주입을 감소시킨다.
임의의 특별한 사전 조치 없이, 목표 크기를 초과하는 두께를 갖는 플루오린 공핍 표면 층은 베이스 관의 인발 후에 얻어질 수 있다. 또한, 그 결과 (일부러) 충분히 두꺼운 플루오린 공핍층을 설정하기 위한 목적으로 링 존 관을 가열하는 도중에 얻어질 수 있다. 초과 플루오린 공핍층 두께는 플루오린화수소산 또는 기상 에칭제로 에칭함으로써 제거될 수 있다. 따라서, 이런 이유로 베이스 관의 인발 후 또는 인발 중에 링 존 관의 적어도 내부 관 표면을 부분적으로 제거하는 것이 유용하다고 판명되었다.
내부 면의 제거 때문에, 플루오린 공핍층의 두께는 사전 결정된 원하는 값으로 감소하고, 동시에 가능한 결함이 없는 깨끗한 표면이 제조된다. 바람직하게, 제거 공정은 물과 히드록실기를 포함하는 석영 유리의 부하를 피하기 위해 기상 에칭 방식으로 수행된다.
플루오린 공핍 표면 층의 두께는 베이스 관의 인발 후 또는 링 존 관의 가열 후에 15 ㎛ 또는 그 이상이 될 수 있다. 이후 내부 표면의 제거에서, 제거 깊이는 이전의 제조된 플루오린 공핍 표면 층보다 적어서, 그 일부가 원하는 목표 두께를 갖는 플루오린 공핍층으로 유지되는 것이 중요하다. 이점에 대하여, 내부 표면의 제거 두께가 플루오린 공핍 표면 층 본래 두께의 10-70%의 범위인 경우에 유리하다고 판명되었다.
플루오린 공핍층에서 플루오린 함유량이 적을수록, 링 존 관의 접촉면 상의 기포 형성에 관한 문제가 적다. 이점에 대하여, 상기 표면 근처 영역에서 플루오린 공핍층이 2000 wt.ppm 이하의 플루오린 함유량을 갖는 경우가 유리하다고 판명되었다. 1 ㎛의 층 두께를 갖는 표면 근처 층에서 낮은 플루오린 함유량은 기포 형성을 실질적으로 감소시킨다.
높은 플루오린 함유량과 조합된 히드록실기 함유량은 링 존 관의 접촉면의 영역에서 기포를 촉진할 수 있다는 것이 발견되었다. 따라서, 플루오린 공핍층의 영역에서 링 존 관의 석영 유리가 1 wt.ppm 미만, 바람직하게 0.5 wt.ppm 미만의 평균 히드록실기 함유량을 갖는 절차가 바람직하다.
플루오린 공핍층에서 적은 히드록실기 함유량은 예를 들어, 링 존 관을 얻기 위해 베이스 관의 연신 중에 가열 공정 또는 플루오린 공핍층을 형성하기 위한 링 존 관의 가열이 수소가 없는 분위기의 전기 가열 존에서 수행되는 경우에 얻어진다.
낮은 히드록실기 함유량은 기포 형성을 피하기 위해 링 존 관과 결합되는 다른 개별 요소에도 동등하게 유용하다. 이런 이유로, 내부 클래딩 존의 석영 유리는 10 ㎛의 층 두께를 갖는 표면 층의 영역에서 0.5 wt.ppm. 미만의 히드록실기 함유량을 갖는 코어 로드에 의해 제공되는 경우에 유리하다고 판명되었다.
코어 로드의 표면 근처 영역의 낮은 히드록실기 함유량은 예를 들어, 코어 로드가 전기 가열 존에서 연신되어 얻어지며, 즉, 수소를 함유하는 플레임이 플레임 폴리싱 등에 이용되지 않는다.
또한, 외부 클래딩 존의 석영 유리는 10 ㎛의 층 두께를 갖는 표면 층의 내부 표면 영역에서 0.5 wt.ppm. 미만의 히드록실기 함유량을 갖는 외부 클래딩 관에 의해 제공되는 경우에 동일한 이유로 유리하다.
외부 클래딩 관은 도핑된 또는 도핑되지 않은 석영 유리로 구성되고, OVD 수트-빌드업 공정 및 이후 염소를 함유하는 분위기에서 탈수, 그리고 기계적 처리를 포함하는 소결 및 클래딩 관으로 인발에 의해 바람직하게 제조된다.
또한, 외부 클래딩 관의 내부 표면 영역에서 낮은 히드록실기 함유량은 외부 클래딩 관의 내부 표면이 기계적 처리로 제조된다는 점에서 실현된다.
기계적 처리로 인해, 표면 영역에 가능하게 증가된 히드록실시 함유량은 새로운 히드록실기의 도입 없이 제거될 수 있다.
또한, 플루오린 공핍층을 제조하기 위한 링 존 관의 가열은 탄소, 링 존 관 및 가능한 추가 개별 부로 구성된 어셈블리의 연신 중에 수행될 수 있다. 가열 존의 길이 및 가열 존을 통한 어셈블리의 공급률에 주위를 기울여야 한다. 이러한 점에서, 가열 존 길이(mm)와 베이스 관의 공급률(mm/min)의 지수가 10 min 또는 그 이상인 경우에 유리하다고 판명되었다.
가열 존의 길이는 적어도 150 mm이고, 일반적으로 180 mm 내지 250 mm의 범위이다. 링 존 관의 표면 범위 내의 온도는 적어도 2200℃이다.
광섬유 제조용 관형 반제품에 대하여, 상술한 목적은, 상기 관형 반제품이 적어도 6000 wt.ppm의 평균 플루오린 함유량을 갖는 석영 유리로 구성되고, 내부 관 표면 및 외부 관 표면으로 형성된 벽을 가지며, 상기 벽 상에 방사상 플루오린 농도 프로파일이 설정되고, 상기 프로파일은 적어도 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이하의 층 두께를 갖는 내부 플루오린 공핍층을 가지며, 플루오린 함유량은 내부 관 표면을 향해 감소하고 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 근처 영역에서 3000 wt. ppm 이하인, 본 발명에 따라 얻어진다.
플루오린 도핑된 석영 유리 관 형태의 반제품은 본원에서 "링 존 관(ring zone tube)"으로 명명된다. 상기 관은 SiO2 입자가 직접 플루오린 도핑되어 합성적으로 석영 유리 관으로 직접 유리화되는 소위 플라즈마 외부 디포지션(POD; plasma outside deposition) 방법의 도움으로, 또는 이후에 플루오린으로 도핑되고 소결되는 SiO2 수트체의 빌드업과 실리콘-함유하는 초기 화합물의 가수분해 또는 열분해에 의한 CVD 방법의 도움으로 제조된다.
링 존 관은 상술한 방법으로 광섬유를 제조하기 위해 제공되고, 본원에서 외부 클래딩 관 및 코어 로브를 포함하는 다른 개별 요소와 함께 동축 어셈블리에서 모재 또는 섬유로 제조된다. 내부 관 표면 및 외부 관 표면은 연화되고, 석영 유리를 구성하는 다른 개별 요소의 석영 유리와 결합된다. 링 존 관의 플루오린 함유량으로 인해, 기포가 접촉 면에 형성될 수 있다.
이런 효과에 대응하기 위해, 본 발명에 따른 링 존 관은 그 벽 상에 적어도 내부 표면을 향하여 감소하는 방사상 플루오린 농도 프로파일이 제공된다. 그 결과, 반제품의 연신 중에 코어 로드의 계면 상에 기포 형성이 실질적으로 감소한다. 링 존 관의 에지 부분에서 플루오린 농도가 감소된 부분은 "플루오린 공핍층(fluorine depletion layer)"으로 불린다.
플루오린으로 도핑하는 것은 링 존의 석영 유리의 굴절률의 감소에 영향을 준다. 광섬유의 높은 굽힘 강화에 대하여, 높은 플루오린 농도 및 코어 로드와 링 존 사이의 가파른 굴절률 점프가 유리하다. 따라서, 링 존 관의 플루오린 함유량은 적어도 6000 wt.ppm이며, 최대 15,000 wt.ppm일 수 있다. 도핑되지 않은 석영 유리와 비교해서 플루오린을 도핑으로 야기된 굴절률 감소는 도핑되지 않은 석영 유리의 굴절률에 비해 적어도 2×10-4이다.
그러나, 한편 계면 상의 기포에 관한 문제는 링 존 관의 증가된 평균 플루오린 함유량 내에서 증가한다. 이런 이유로, 플루오린 공핍층의 기포 감소 효과는 높은 평균 플루오린 함유량의 경우에 특히 현저하다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 6000 wt.ppm 또는 그 이상의 높은 평균 플루오린 함유량을 갖는 링 존 관에서 특히 현저하다.
플루오린으로 도핑하는 것은 링 존 내의 석영 유리의 굴절률 감소에 영향을 준다. 상술한 바와 같이, 코어 로드와 링 존 사이의 가파른 굴절률 점프는 광섬유의 높은 굽힘 강화에 유리하다. 플루오린 농도 구배 및 이에 따른 방사상 굴절 구배는 이 점에서 그 자체로 바람직하지 않다. 그러나, 10 ㎛ 미만의 층 두께는 허용되고 섬유의 굽힘 강화와 계면의 품질 사이의 적절한 타협을 나타낸다. 그러나, 1 ㎛ 미만의 층 두께에서는 감소된 기포 형성에 대한 상당한 효과가 없다.
플루오린 공핍층에서 플루오린 함유량이 적을수록, 링 존 관의 접촉 면 상의 기포의 형성에 대한 문제가 적다. 이러한 점에서, 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 근처 영역에서 플루오린 공핍층은 3000 wt.ppm 또는 그 미만의 플루오린 함유량을 갖는다. 표면 근처 영역에서 특히 낮은 플루오린 함유량은 낮은 기포 형성에 실질적으로 기여한다.
플루오린 공핍층 및 플루오린 공핍된 표면 근처 영역은 본 발명에 따른 방법을 참조하여 상기에서 추가로 확정되었다.
본 발명에 따른 반제품의 유리한 개발은 특허청구범위에 따른다. 특허청구범위 부분에 나타낸 반제품의 배열에 있어서, 절차는 본 발명에 따른 방법에 대한 특허청구범위에 나타내며, 상응하는 방법 청구항에 대해 상기 진술은 추가 설명을 위해 참조된다.
링 존 관은 광섬유를 제조하기 위해 제공된다. 이런 목적으로, 링 존 관은 도핑된 또는 도핑되지 않은 석영 유리의 외부 클래딩 관 및 코어 로드를 포함하는 다른 개별 요소들과 함께 배열되고, 이들은 구성 요소 어셈블리의 형태로 별개의 공정에서 각각 제조된 된다. 이 어셈블리는 이후 모재로 또는 직접 섬유로 제조된다. 플루오린 도핑된 링 존 관이 그 벽을 가로질러서 내부 표면으로 감소하는 방사상 플루오린 농도 프로파일을 구비하는 것이 중요하다. 그 결과, 반제품의 연신 동안 코어 로드의 계면 상의 기포 형성은 상당히 감소한다.
링 존 관은 그로부터 인발된 광섬유에서 증가된 굽힘 강화를 가져온다.
바람직하게, 코어 로드는 링 존 관 내에서 축 방향으로 끝과 끝으로 배열된 복수의 코어 로드 세그먼트로 구성된다. 코어 로드의 분할은 임의의 원하는 치수의 코어 로드 길이를 허용한다.
바람직하게 0.5 내지 2 mm 범위의 갭 폭을 갖는 환형 갭(annular gap)이 코어 로드와 링 존 관 사이의 어셈블리에 놓인다. 링 존 관과 외부 클래딩 관 사이의 링 갭에 대해서도 사실 동일하다.
링 존 관의 외부 직경 대 내부 직경의 비는 바람직하게 2 내지 12 mm의 벽 두께에서 1.4 내지 1.8 범위 이내이다. 링 존 관의 길이는 일반적으로 1 내지 3 m이며, 복수의 링 존 관 구역은 서로 끝과 끝이 접합될 수 있다.
본 발명은 특허 도면 및 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 링 존 관의 외부 관 표면 영역에서 SiO2 및 플루오린의 방사상 농도 프로파일에 대한 다이아그램이다.
도 2는 링 존 관의 내부 관 표면 영역에서 SiO2 및 플루오린의 방사상 농도 프로파일에 대한 다이아그램이다.
수트체는 표준 수트 디포지션 방법의 도움으로 제조되고, 이후 플루오린으로 도핑된다.
수트체의 유리화 후에, 석영 유리 실린더는 200 mm의 외부 직경 및 80 mm의 내부 직경으로 얻어지고, 그 결과 외부 직경 대 내부 직경의 비는 2.5가 된다. 석영 유리는 0.1 wt.ppm의 평균 히드록실기 함유량 및 6100 wt.ppm의 평균 플루오린 함유량을 가지며, 이는 도핑되지 않은 석영 유리와 비교하여 굴절률 감소를 초래한다.
초기 실린더는 38 mm의 외부 직경, 25 mm의 내부 직경 및 6.5 mm의 벽 두께를 갖는 링 존 관으로 도구 없이 인발된다.
초기 실린더는 10 mm/min의 공급률 "v"에서의 170 mm의 길이 "L"(그 결과, 지수 L/v는 10 min의 값이 됨) 및 적어도 2200℃의 온도에서, 전기 가열 존으로 수소가 없는 질소 분위기에서 공급된다.
이후에 얻어진 링 존 관은 열간 성형에 의해 연화된 내부 관 표면으로 구분되고, 특히 고품질의 표면을 갖는다. 약 5 ㎛의 두께를 갖는 플루오린 공핍 표면 층은 링 존 관의 내부 및 외부 관 표면의 영역에서 연신 공정 중 가열에 의해 형성된다.
외부 표면의 영역에서 상응하는 농도 프로파일은 도 1에 나타낸다. 플루오린(곡선 2) 및 SiO2(곡선 1)에 대한 농도는 상대적인 단위(SiO2 및 플루오린의 각각의 최대 농도를 기초로 함)로 세로좌표 상에 나타내고, 방사상 위치는 가로좌표에 [㎛]로 나타낸다. 각각의 농도 프로파일에서 점진적인 상승 및 영점으로부터의 오프셋은 측정된 방법의 공간 해상도로 인한 것이다.
최대값의 80% 미만인 플루오린 농도를 갖는 층 두께는 "플루오린 공핍층"이라 한다. 관련된 위치는 도 1의 "B"에 도시되어 있다. SiO2의 농도는 위치 값에 대한 기준점(영점)을 나타낸다. 영점이 80% 농도 값과 관련되는 위치에 대한 영점은 도 1의 "A"에 도시되어 있다. 따라서, 플루오린 공핍층을 위한 층 두께는 80% 농도 값에서 플루오린 및 SiO2의 농도 프로파일의 거리 A-B를 따른다. 최대 1 ㎛의 표면 근처 영역에서, 플루오린 농도는 2100 wt.ppm 미만이고, 플루오린 공핍 표면 층의 두께는 이 경우에 대체로 약 7 ㎛이다. 이는 링 존 관의 외부 실린더 자켓에서 허용되지만, 내부 실린더 자켓에서 최적은 아니다.
따라서, 연신율이 외부 클래딩과 유사한 플루오린 공핍층을 가진 후에, 링 존 관의 내부면은 에칭 오프되고, 에칭 가스(SF6)의 고온 가스 스트림은 내부 보어를 통과한다. 이후 내벽 상에 얻어진 농도 프로파일을 도 2에 나타낸다. SiO2(곡선 2) 및 플루오린(곡선 1)의 농도 프로파일의 비교에 따르면, 내부 면의 제거로 인하여, 플루오린 공핍층의 두께는 약 1.5 ㎛의 사전결정된 원하는 값으로 조정되고, 동시에 가파른 농도 곡선이 표면 근처 영역에서 얻어진다. 에칭 공정으로 인해, 깨끗하고 결함이 없는 표면이 제조된다. 이러한 경우에, 플루오린 공핍층으로 정의되는 층 두께는 플루오린의 최대 농도의 80% 미만인 플루오린 농도를 갖고, 위치상 거리 A-B로 읽을 수 있다. 플루오린 공핍층 내의 평균 플루오린 함유량은 3000 wt. ppm을 초과하며, 1 ㎛의 내부 표면 근처 영역에서는 약 2800 wt.ppm이다.
링 존 관의 평균 염소 함유량이 200 wt.ppm이고, 링 존 관의 석영 유리의 일반적인 히드록실기 함유량이 0.1 wt.ppm인 것은 사실이다. 그러나, 연신 공정으로 인하여, 표면 근처에서 5 wt.ppm 또는 그 이상의 최대값으로 증가한다. 그러나, 이후 기상 에칭으로 인해, 상대적으로 높은 히드록실기 함유량을 갖는 층이 제거되어서, 1 ㎛의 층 두께에서 측정된 플루오린 공핍층의 표면 상에서 0.4 wt.ppm 이하의 평균 히드록실기가 얻어진다.
이에 의해 얻어진 링 존 관은 관내 로드 삽입법(rod-in-tube methode)으로 코어 로드를 오버클래딩하기 위해 사용된다. 이 때문에, 세그먼트는 링 존 관으로부터 원하는 길이로 절단된다. 코어 로드는 반경 12 mm에 GeO2 도핑된 코어 영역을 갖고, 5.5 mm의 층 두께를 갖는 도핑되지 않은 석영 유리의 내부 클래딩으로 둘러싸인다.
코어 로드는 링 존 관의 내부 보어 및 관으로 번갈아가며 삽입되고, 175 mm의 외부 직경, 40 mm의 내부 직경 및 1800 wt.ppm의 평균 염소 함유량을 갖고, 굴절률이 nMa인 도핑되지 않은 석영 유리의 자켓 관으로 둘러싸인다.
이후 요소의 이러한 동축 배열은 수직 배향의 인발 노(drawing furnace)로 주입되고, 보다 낮은 말단에서 시작하여 구역별로 연화되며, 섬유는 연화된 영역으로 인발된다. 링 존 관의 외부 및 내부 "플루오린 공핍층(fluorine depletion layers)"은 플루오린의 외부 확산을 감소시키는 "패시베이션 층(passivation layers)"으로서 기능하고, 이에 의해 계면 영역에서 기포의 형성을 방지한다. 따라서, 플루오린 공핍층은 코어 로드 및 자켓 관의 계면 및 낮은-결함 접촉면에 기여한다.
125 ㎛의 외부 직경을 갖는 굽힘 강화 단일 모드 광섬유는 인발되고; 높은 플루오린 농도를 갖는 링 존을 특징으로 하며, 코어 존의 외부 영역으로부터 거리를 갖는다. 어셈블리의 굴절률의 반경의 흐름은 아래와 같다: nMa ＞ nF ＜nMi ＜ nK.

Claims (14)

  1. 석영 유리 모재 또는 석영 유리 요소의 동축 어셈블리를 연신함으로써 광섬유를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    상기 섬유는 굴절률 nK를 갖는 코어 존, 상기 코어 존을 오버 클래딩하고 굴절률 nMi를 갖는 내부 클래딩 존, 상기 내부 클래딩 존을 둘러싸고 굴절률 nF를 갖는 도핑된 석영 유리로 구성된 링 존, 뿐만 아니라 상기 링 존을 둘러싸는 외부 클래딩 존을 포함하고, 여기서 nF ＜ nMi ＜ nK이며,
    상기 링 존의 석영 유리는 적어도 6000 wt.ppm의 평균 플루오린 함유량을 갖는 석영 유리로 구성된 링 존 관 형태로 제공되고, 상기 링 존 관은 내부 관 표면 및 외부 관 표면으로 형성된 벽을 가지며,
    상기 링 존 관의 벽 상에 방사상 플루오린 농도 프로파일이 설정되고, 상기 프로파일은 적어도 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이하의 층 두께를 갖는 내부 플루오린 공핍층을 가지며, 상기 플루오린 함유량은 상기 내부 관 표면을 향하여 감소하고 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 근처 영역에서 3000 wt.ppm 이하인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링 존 관은 상기 링 존 관의 벽 상에 방사상 플루오린 농도 프로파일이 제공되고, 상기 프로파일은 상기 플루오린 농도가 상기 외부 관 표면을 향하여 감소하는 외부 플루오린 공핍층을 갖는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내부 플루오린 공핍층은 4 ㎛ 미만의 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 존 관은 상기 내부 표면 및 상기 외부 표면 상에 플루오린 공핍층을 형성하는 동안 플루오린 도핑된 석영 유리로부터 베이스 관을 인발함으로써 도구 없이 제조되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 링 존 관의 적어도 상기 내부 관 표면은 상기 베이스 관의 인발 후에 또는 인발 중에 부분적으로 제거되고, 상기 내부 관 표면의 상기 제거 깊이는 플루오린 공핍 표면 층의 본래 두께의 10% 내지 70% 범위인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    1 ㎛의 층 두께를 갖는 표면 근처 층에서 상기 플루오린 공핍층은 2000 wt.ppm 이하의 플루오린 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플루오린 공핍층의 영역에서 상기 링 존 관의 석영 유리는 1 wt.ppm 미만, 바람직하게 0.5 wt.ppm 미만의 평균 히드록실기 함유량 갖는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 클래딩 존의 석영 유리는 10 ㎛의 층 두께를 갖는 표면 층의 영역에서 0.5 wt.ppm 미만의 히드록실기 함유량을 갖는 코어 로드에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 광섬유 제조용 관형 반제품에 있어서,
    관형 반제품은 적어도 6000 wt.ppm의 평균 플루오린 함유량을 갖는 석영 유리로 구성되고, 내부 관 표면 및 외부 관 표면으로 형성된 벽을 가지며,
    상기 벽 상에 방사상 플루오린 농도 프로파일이 설정되고, 상기 프로파일은 적어도 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이하의 층 두께를 갖는 내부 플루오린 공핍층을 가지며, 상기 플루오린 농도는 상기 내부 관 표면을 향하여 감소하고 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 근처 영역에서 3000 wt.ppm 이하인 것을 특징으로 하는 관형 반제품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 플루오린 농도가 상기 외부 관 표면을 향해 감소하는 외부 플루오린 공핍층을 갖는 방사상 플루오린 농도 프로파일은 상기 링 존 관의 벽 상에 설정되는 것을 특징으로 하는 관형 반제품.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 내부 플루오린 공핍층은 4 ㎛ 미만의 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 관형 반제품.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 존 관은 용융 흐름에서 도구 없이 제조된 내부 관 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 관형 반제품.
  13. 제9항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    1 ㎛의 층 두께를 갖는 상기 표면 근처 영역에서 상기 플루오린 공핍층은 2000 wt.ppm 이하의 플루오린 함유량을 갖는 것을 특징으로 하는 관형 반제품.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플루오린 공핍층의 영역에서 상기 링 존 관의 석영 유리는 1 wt. ppm 미만, 바람직하게 0.5 wt.ppm 미만의 평균 히드록실기 함유량을 갖는 것을 특징으로 하는 관형 반제품.
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