KR20130029105A - 광섬유의 결정론적 절단 - Google Patents

Abstract

의도한 절단 위치에서 스코어링된 광섬유에 축방향 장력이 인가되고, 여기서, 축방향 장력은, 섬유 상의 크랙에 대한 응력 강도 인자를 허용가능한 레벨 내에 유지하여 단부 표면의 연마를 요구하지 않고 섬유를 절단하기에 합당한 속도로 안정적인 크랙 성장을 생성하도록 통제된다. 시간에 따른 인가되는 장력의 조심스러운 제어는, 실질적으로 일정한 응력 강도 인자를 유지함으로써 전파되는 크랙의 속도를 제어하는 작용을 한다. 인가되는 축방향 장력은 시간 및/또는 크랙 성장에 따라(크랙이 전파함에 따라) 감소된다. 그 결과, 연마를 요구하지 않고 광학적 품질 표면을 갖는 단일 평면의 형성에 의해 섬유 재료 내의 변형 에너지가 해방된다. 향상된 광학적 품질의 실질적으로 평탄한 광학적 표면이, 광섬유의 절단된 단부에서 형성된다.

Description

광섬유의 결정론적 절단{DETERMINISTIC CLEAVE OF OPTICAL FIBER}

1. 우선권 주장

본 출원은, 마치 본 명세서에 개시되는 것처럼 참조에 의해 그 전체를 포함하는 2010년 6월 28일 출원된 미국 가출원번호 61/359,327호를 우선권 주장한다. 이하에서 언급하는 개시물은, 마치 본 명세서에 완전히 개시되는 것처럼 참조에 의해 포함된다.

2. 발명의 분야

본 발명은 광섬유에 관한 것으로, 특히 길이를 단축시키고 광섬유의 납작한 섬유 단부를 생성하기 위한 광섬유의 절단(cleaving)에 관한 것이다.

광 에너지를 광섬유 도파관을 통해 전송하는 것은 많은 이점이 있으며, 그 이용은 다양하다. 단순히 원격지에 가시광을 전송하기 위해 단일의 또는 복수의 섬유 도파관이 이용될 수 있다. 복잡한 통신 시스템은 복수의 특정 광 신호를 전송할 수 있다. 이들 장치들은 종종 단부-대-단부의 관계로 섬유들의 결합을 요구하며, 이러한 결합은 광 손실의 원천을 나타낸다. 절단된 단부는 매끄럽고 결함이 없어야 한다. 섬유의 단부들이 불균일하다면, 절단된 단부 표면(예를 들어, 접합 또는 연접 영역)에서의 광의 반사와 굴절로 인해 과도한 광 손실이 생길 수 있다. 대다수의 광섬유 응용의 경우, 섬유의 단부가 결합에 대비하여 완전히 평탄하도록 섬유를 절단하는 것이 중요하다. 광섬유를 단부-대-단부 관계로 배치할 때, 광 손실을 최소화하기 위해, 섬유의 단면이 매끄럽고 섬유의 축에 대하여 수직한 면 또는 특정 각도로 놓이도록 하는 것이 바람직하다. 요약하면, 절단된 섬유 단면은, 분리가능한 커넥터들 사이의 섬유들, 영구 접합, 및 광소자 사이의 결합을 최적화하기 위해 거울 품질의 단일 평면이 될 필요가 있다.

종래의 절단은 기계적 절단 또는 레이저 절단의 이용에 의해 이루어진다. 지금까지, 절단을 생성하기 위한 한 종래의 기계적 절단 접근법에 따르면, 먼저 광섬유가 축 방향 장력(tension)하에 놓인 다음, 절단을 개시하기 위해 광섬유가 스코어(score)링된다. 결과적인 절단 각도와 표면 특성은 스코어(score)의 품질과 광섬유의 축방향 응력(stress) 및/또는 변형(strain) 분포 양쪽 모두의 직접적인 결과이다. 인가되는 축방향 장력은 절단을 전파시키기 위해 필요하다. 그러나, 너무 많은 장력은 절단이 너무 빨리 전파하게 하여, 절단된 단부에 가느다란 실(hackle)을 생성한다. 너무 적은 장력이 이용되면, 절단을 개시하기 위해 스코어링 엣지(edge)가 섬유 내에 너무 깊이 침투할 것이 요구되어, 불량한 절단을 생성한다.

섬유의 절단된 단면에서 생성되는 불완전성을 고려하여, 현재의 절단 접근법은, 절단면 비평면 형태의 불완전성을 제거하기 위해 결과적인 절단면의 기계적 연마를 동반하는 종래의 광섬유 절단을 포함한다. 대안적 접근법은, 기계적 연마를 레이저 연마로 대체한 상기 프로세스를 이용하는 것이다. 이러한 연마 단계는 자동화될 수 있지만, 정교하고 값비싼 장비와 비교적 복잡한 절차를 요구하므로, 이것은 이러한 동작을 공장이나 연구실에서 수행하도록 제한한다. 또한, 레이저 연마 프로세스의 결과로서 섬유의 단부가 녹아서 재응고할 때 섬유의 형상은 왜곡되며, 종종 직경이 증가한다.

레이저 절단은, 평탄한 절단면을 생성하기 위해 여전히 추가 연마를 요구하는 단부 섬유면, 또는 레이저 절단 프로세스 동안에 레이저 연마된 단부 표면을 생성할 수 있다. 레이저 절단은 섬유의 절단된 단부에서 상당히 더 나은 광학적 표면을 생성하지만, 이 프로세스는 전용의 절단 장비를 이용하여 실행되어야 한다(예컨대, OpTek Systems; www.opteksystems.com에 의해 배포된 자동화되고 완전 통합된 절단 시스템을 참조).

통신 시스템, 데이터 프로세스, 및 기타의 신호 전송 시스템에서 비교적 광범위하고 지속적으로 증가하는 광섬유의 사용은, 서로 결합하는 단자의 만족스럽고 효율적인 수단에 대한 수요를 생성하였다. 현재 대부분의 분리가능한 섬유 커넥터는 공장에서 설치된다. 광섬유의 현장 설치를 위해, 섬유가 나중에 결합될 때 광 손실을 최소화하도록 광섬유를 적절하게 절단하기 위한 간단하고 신뢰성 있게 이용될 수 있는 프로세스를 개발하는 것이 특히 바람직하다. 광섬유 단부 면을 준비하기 위한 효과적이고 효율적이며 신뢰성있는 접근법을 개발할 필요가 있다.

본 발명은, 섬유가 나중에 결합될 때 광 손실을 최소화하도록, 광섬유를 적절하게 절단하여 매끄러운 단부를 얻기 위한 간단하고 신뢰성 있게 이용될 수 있는 프로세스를 제공한다. 본 발명에 따른 프로세스는, 연마를 요구하지 않고 광섬유 단면을 준비하기 위한 효과적이고, 효율적이며 신뢰성 있는 접근법을 제공한다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 의도한 절단 위치에서의 초기 표면 크랙으로 스코어링된 광섬유에 축방향 장력이 인가되고, 여기서, 인가된 축방향 장력은, 크랙에 대한 응력 강도 인자를 허용가능한 레벨 내에 유지하여 단부 표면의 연마를 요구하지 않고 섬유를 절단하기에 합당한 속도로 안정적인 크랙 성장을 생성하도록 통제된다. 더 구체적으로는, 본 발명의 한 실시예에서, 기본적인 접근법은 섬유의 원주를 완전히 둘러싼 바깥쪽 직경 상에서 또는 원주의 선택적인 영역에서 광섬유 내에 홈(groove)을 스코어링한 다음, 섬유를 절단하기 위해 시변동력(time-varying force)을 섬유의 길이방향 축과 동축으로 인가하는 것이다. 섬유는, 스코어링되고 있을 때 실질적으로 일정한 장력 하에 초기에 유지되거나 유지되지 않을 수도 있다. 조심스럽게 제어된 스코어링 프로세스는 표면 아래 크랙없이 초기 표면 크랙만을 제공하며, 이것은 충분한 축방향 장력에 의해 섬유를 가로지르는 크랙 전파가 개시될 위치를 정의한다. 스코어는, 스코어링 툴, 또는 레이저 컷에 의해 기계적으로 생성되거나, 포커싱된 이온 빔과 같은 다른 형태의 융삭(ablation)을 거침으로써 생성될 수 있다. 섬유에 시변동력을 가하는 것은, 초기 크랙이 섬유의 중심을 향하여 안쪽으로 반지름 방향으로 전파되도록 야기한다. 한 실시예에서, 시간에 따라 인가되는 장력의 조심스러운 제어는, 실질적으로 일정한 응력 강도 인자를 유지함으로써 전파되는 크랙의 속도를 제어하는 작용을 한다. 또 다른 실시예에서, 인가되는 축방향 장력은 시간 및/또는 크랙 성장에 따라(크랙이 전파함에 따라) 감소된다. 그 결과, 연마를 요구하지 않고 광학적 품질 표면을 갖는 단일 평면의 형성에 의해 섬유 재료 내의 변형 에너지가 해방된다. 더 구체적으로는, 향상된 광학적 품질의 실질적으로 평탄한 광학적 표면 또는 절단면(facet)이, 광섬유의 절단된 단부에서 형성된다. 이 절단면은 초기 스코어를 적절히 배치함으로써 섬유의 길이방향 축에 소정 각도로 형성될 수 있다.

본 발명의 성향과 이점들 뿐만 아니라 양호한 이용 모드의 더욱 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면들과 함께 판독되는 이하의 상세한 설명을 참조할 것이다. 이하의 도면들에서, 유사한 참조 번호는 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 가리킨다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른, 모드 I를 이용한 광섬유 절단을 나타낸다.
도 2는 크랙 깊이의 함수로서 실리카(silica) 광섬유 상의 인장력(pulling force)의 플롯이다.
도 3은 크랙 성장의 속도 대 응력 강도 인자의 도면이다.
도 4는 시간의 함수로서의 섬유 상의 인장력의 플롯이다.
도 5는 포인트 크랙으로부터 광섬유의 파열된 표면의 모노그래프(monograph)이다.

이하에서 도면을 참조한 다양한 실시예를 참조하여 본 발명이 설명된다. 본 발명이 본 발명의 목적을 달성하기 위한 최상의 모드의 관점에서 설명되지만, 당업자라면 본 발명의 사상이나 범위로부터 벗어나지 않고 이들 교시에 비추어 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은, 섬유가 나중에 결합될 때(예를 들어, 접합 또는 단부-대-단부 결합될 때) 광 손실을 최소화하도록, 광섬유를 적절하게 절단하여 매끄러운 단부를 얻기 위한 간단하고 신뢰성 있게 이용될 수 있는 프로세스를 제공한다. 본 발명에 따른 프로세스는, 연마를 요구하지 않고 광섬유 단면을 준비하기 위한 효과적이고, 효율적이며 신뢰성 있는 접근법을 제공하여, 공장에서의 작업을 용이하게 할 뿐만 아니라 현장 환경에서의 작업을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 한 양태에서, (의도한 절단 위치의 초기 표면 크랙을 생성하기 위해 스코어링된) 광섬유에 가해지는 축방향 장력은, 섬유 상의 크랙에 관련된 응력 강도 인자가 허용가능한 레벨에 유지되어 합당한 속도로 안정적인 크랙 성장을 생성하여 섬유를 절단하도록 통제된다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 축방향 장력이 시변동 방식으로 인가된다.

더 구체적으로는, 본 발명의 한 실시예에서, 기본적인 접근법은 섬유의 원주를 완전히 둘러싼 바깥쪽 직경 상에서 또는 원주의 선택적인 영역에서 광섬유 내로 홈(groove)을 스코어링 또는 스크라이빙한 다음, 섬유를 절단하기 위해 시변동력(time-varying force)을 섬유의 길이방향 축과 동축으로 인가하는 것이다. 섬유는, 스코어링되고 있을 때 실질적으로 일정한 장력 하에 초기에 유지되거나 유지되지 않을 수도 있다. 스코어는, 스코어링 툴, 또는 레이저 컷에 의해 기계적으로 생성되거나, 이온 빔과 같은 다른 형태의 융삭(ablation)을 거침으로써 생성될 수 있다. 조심스럽게 제어된 스코어링 프로세스는 표면 아래 크랙없이(즉, 스코어링된 홈의 하부면 아래에 크랙이 없이) 원하는 크랙 깊이를 갖는 초기 표면 크랙만을 제공하며, 이것은 충분한 축방향 장력에 의해 섬유를 가로지르는 크랙 전파가 개시될 위치를 정의한다. 구체적으로는, 홈의 스코어링은 수십 나노미터의 초기 표면 크랙을 생성함으로써, 스코어링 툴은 경성 모드(brittle mode) 대신에 연성 모드(ductile mode)로 섬유의 재료를 절단하여, 스코어링된 홈의 하부 아래의 표면-아래 크랙을 회피한다. 스코어링 프로세스 동안에 (수십 나노미터 이하의) 얇은 깊이의 절삭은, 스코어링 툴의 정확한 피딩이나 약간의 스프링력에 의해 툴을 섬유에 맞대어 정확히 누름으로써 달성될 수 있다. 섬유에 시변동력을 가하는 것은, 초기 크랙이 섬유의 중심을 향하여 안쪽으로 반지름 방향으로 전파되도록 야기한다.

한 실시예에서, 시간에 따른 인가된 장력의 조심스런 제어는, 섬유 상의 크랙을 위한 허용가능한 응력 강도 인자(예를 들어, 특정한 로딩 모드 하에서 임계 응력 강도 인자 아래의 실질적으로 일정한 응력 강도 인자)를 유지함으로써 전파하는 크랙의 속도를 제어하는 작용을 한다. 그 결과, 연마를 요구하지 않고 광학적 품질 표면을 갖는 단일 평면의 형성에 의해 섬유 재료 내의 변형 에너지가 해방된다. 더 구체적으로는, 향상된 광학적 품질의 실질적으로 평탄한 광학적 표면 또는 절단면(facet)이, 연마를 요구하지 않고 광섬유의 절단된 단부에서 형성된다. 절단면은, 초기 스코어를 적절히 배치함으로써(예를 들어, 섬유의 길이방향 축에 관하여 소정 각도(예를 들어, 8도)의 평면 내의 타원형 스코어) 섬유의 길이방향 축에 대해 소정 각도로 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 크랙 성장을 개시하기에 충분한 레벨로의 인가된 축방향 장력의 초기 증강(ramp up) 후에(크랙을 위한 응력 강도 인자를 임계 응력 강도 인자 아래에 유지하는 동안, 절단 프로세스에서의 피크 축방향 장력), 섬유의 끝을 잡아 당겨 크랙 성장을 계속하면서 인가된 축방향 장력은 그러한 피크 축방향 장력으로부터 시간에 따라 감소된다. 또 다른 관점에서, 피크 축방향 장력으로의 축방향 장력의 초기 증강에 의해 크랙 전파가 개시된 후에, 인가된 축방향 장력은 크랙 깊이의 추가 성장에 따라 감소된다. 이후에 설명되는 개시된 실시예에서, 인가된 축방향 장력은 단조 감소되고, 시간 또는 크랙 성장에 따라 감소하는 속도로 추가로 감소한다. 주목할 점은, 피크 축방향 장력은 크랙 성장을 개시하는데 요구되는 장력보다 클 수 있으며, 피크 축방향 장력은 축방향 장력이 감소되기 이전에 증강의 일부로서 짧은 기간 동안에 일정하게 유지될 수 있다는 것이다.

본 발명의 이해를 위해 필요한 것은 아니지만, 본 발명의 개발을 지원하는 제안된 이론이 이하에서 간략하게 논의된다.

섬유의 파열에는 3가지 기본 모드가 있다: 모드 I(개방 모드), 모드 II(슬라이딩 모드), 및 모드 III(찢어짐 모드). 본 발명의 결정론적 섬유 절단 프로세스에서의 광섬유의 제어된 파열을 위해, 모드 I가 적용된다. 도 1을 참조하면, 예시적 광섬유(10)의 한 구획이 도시되어 있다. 도 1의 예시를 위해, 비피복형 섬유(즉, 코어와 클래딩만 포함)가 도시되어 있고, 보호 폴리머 코팅은 생략되어 있다. 섬유(10)는 실린더형이고, 원형의 단면을 가진다. 섬유(10)는, 실리카의 클래딩으로 코팅된, 도핑된 실리카의 코어를 가진다. 예시된 바와 같이, 모드 I 로딩을 이용한 절단을 위한 크랙 전파를 개시하기 위해 외부 원주 크랙(12)이 광섬유(10) 주변에(즉, 클래딩층의 표면 상에) 제공된다. 예를 들어, 축을 중심으로 섬유를 회전시키거나 섬유 주위로 다이아몬드 또는 탄화물 첨두부(tip)를 회전시키면서 다이아몬드 또는 탄화물 첨두부로 스코어링 또는 스크라이빙함으로써 섬유 상에 소정 크랙 깊이 a를 갖는 원주 크랙이 준비된다. 섬유(10)의 한쪽 끝을 고정시킨 채 섬유(10)의 다른 끝을 시변동 인장력 F(즉, 동일하고 반대방향의 축방향 장력 F)에 의해 축방향으로 당기면, 안정적인 크랙 성장 전파 조건이 달성되며, 이 상태에서 섬유 상의 원주 크랙은, 안정적인 크랙 성장 속도 내에서 중심을 향하여 안쪽으로 반지름 방향으로 성장한다.

고려되는 변수 및 기본적인 수학식은 다음과 같다:

변수들:

K_I = 응력 강도 인자

σ = 인가된 응력

= 크랙 깊이

= 초기 크랙 깊이

= 곱셈 계수

F = 인가된 인장력

A = 섬유의 비파열 영역(un-fractured area)

r_o = (클래딩 표면으로부터의) 섬유의 반경

υ = 크랙 성장 속도

t = 시간

C = 보정 파라미터(fitting parameter)

n = 보정 파라미터(피로 상수)

주목할 점은, 곱셈 계수 α는, A.Y.T. Leung and R.K.L. Su, "Two-Level Finite Element Study of Axisymmetric Cracks," International Journal of Fracture, 89, 193-203 (1998)를 참조할 수 있다는 점이다.

기본 수학식:

절단된 단부에서 광학적 품질 표면을 얻기에 합당한 속도로 안정적인 크랙 성장을 생성하기 위하여 축방향 힘이 인가되고 있는 때 크랙을 위한 허용가능한 응력 강도 인자를 유지하는 것이 바람직하다는 점을 고려하여, 인가된 축방향 힘과 크랙 깊이 사이의 관계, 및 인가된 축방향 힘과 시간 사이의 관계가 분석되었다. 섬유 반경 r_o = 62.5 μm, 초기 크랙 깊이

= 1 μm, 및 실리카 광섬유에 대한 임계 응력 강도 인자 K_IC = 0.750 MPa-m^0.5에 대해, 크랙 깊이

와 시간 t의 함수로서 인장력 F에 대해 계산이 수행되었다.

도 2는, 다양한 응력 강도 인자 K_I에서, 크랙 깊이

의 함수로서 축방향 힘 F의 플롯이다. 다양한 응력 강도 인자 K_I에서의 플롯은 우측의 (K_IC를 나타내는) 곡선 I와 좌측의 곡선 II에 의해 경계를 이룬다. 예시된 바와 같이, 응력 강도 인자 K_I는, K_IC에서의 곡선 I로부터 곡선 II로 점진적으로 낮아진다. 곡선들 각각의 시작으로 이어지는 크랙 성장을 개시한 피크 인가된 힘의 증강이 도 2에는 도시되어 있지 않다. 곡선들 각각에 대해, 크랙 성장을 개시한 힘으로의 증강 후에, 응력 강도 인자 K_I는 실질적으로 일정하게 유지된다. 곡선 I 위의 영역에서 K_IC = 0.750 MPa-m^0.5 보다 큰 K_I에 대해, 크랙 성장은 불안정한 것으로 믿어진다. 곡선 II 아래의 영역에서 0.35 MPa-m^0.5보다 작은 K_I에 대해, 실리카 광섬유 상의 크랙이 합당한 속도로 성장하기에 충분한 응력 강도 인자를 생성하기에는 불충분한 인장력 때문에, 상당한 크랙 성장은 생성되지 않을 것이다. 따라서, 합당한 속도로 안정적인 크랙 성장을 생성하여 섬유를 절단하기 위하여, 섬유 상의 인장력은 곡선 I와 곡선 II 사이의 영역 내에서 유지되어야 한다. 도 2로부터, 응력 강도 인자 K_I를 곡선 I와 곡선 II의 경계 내에 있도록 유지하기 위하여(예를 들어, 인가된 힘 F의 증강 이후에 실질적으로 일정한 응력 강도 인자 K_I에서), 인가된 힘 F는, 크랙 깊이가 초기에 증가할 때 초기에 급속히 감소되어야 하고, 크랙 깊이가 클 때는 비교적 천천히 감소된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 한 실시예에서, 힘 F는 단조 감소될 수 있고, 시간에 따라 점진적으로 감소하는 속도로 감소할 수도 있다.

시간 t의 함수로서 섬유 상의 인장력 F를 고려하기 위해, 안정적인 크랙 성장 속도 υ 와 응력 강도 인자 K_I 쌍이 도 3으로부터 선택되며, 이것은 M. Muraoka and H. Abe, “Subcritical Crack Growth in Silica Optical Fibers in a Wide Range of Crack Velocities,” Journal of the American Ceramic Society, 79 [1], 51-57 (1996)를 참조할 수 있다. 도 4는, 안정적인 크랙 성장 속도와 응력 강도 인자의 3개 조합쌍에 대하여 시간의 함수로서 광섬유 상의 축방향 인장력을 도시하고 있다. 이들 쌍들은 0.590 MPa-m^0.5 및 1×10^-5 m/s, 0.580 MPa-m^0.5 및 5×10^-6 m/s, 및 0.557 MPa-m^0.5 및 2×10^-6 m/s로서, 1 μm의 초기 크랙 깊이에 대해 각각 약 6s, 12.5s, 및 31s의 절단 시간을 제공한다. 섬유의 구조는 상기 도 2에 대한 것과 동일하다, 즉, 섬유 반경 r_o = 62.5 μm, 초기 크랙 깊이

= 1 μm, 및 임계 응력 강도 인자 K_IC = 0.750 MPa-m^0.5이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 응력 강도 인자 K_I 및 크랙 성장 속도 υ는 최좌측의 곡선으로부터 우측으로의 곡선으로 점진적으로 더 낮아진다. 곡선들 각각의 시작으로 이어지는 크랙 성장을 개시한 피크 인가된 힘으로의 증강이 도 4에는 도시되어 있지 않다. 곡선들 각각에 대해, 힘 증강 후에, 응력 강도 인자 K_I와 크랙 성장 속도 υ는 실질적으로 일정하게 유지된다. 도 4로부터, 힘 증강 이후에, 인가된 힘 F는 초기에는 시간에 따라 급속히 줄어들어야 하고, F는 긴 시간 후에는 비교적 천천히 감소된다는 것을 알 수 있을 것이다. 힘 F는 단조 감소될 수 있고, 크랙 성장에 따라 점진적으로 감소하는 속도로 감소할 수도 있다. 실리카 광섬유에서 안정적인 크랙 성장을 위해, 크랙 성장의 속도는 10^-15와 10^-4 m/s 사이에 유지되어야 한다. 합당한 시간량에 광섬유를 절단하기 위해, 크랙 성장 속도는 너무 낮아서는(< 10^-6 m/s) 안 된다. 예를 들어, 크랙 성장 속도 10^-8 m/s에서 섬유를 완전히 절단하는데에는 약 1.74 시간이 걸릴 것이다. 따라서, 크랙 성장 속도의 더욱 합당한 범위는 10^-6와 10^-4 m/s 사이에 있어야 한다.

허용가능한 응력 강도 인자(예를 들어, 실질적으로 일정한 응력 강도 인자)를 안정적인 크랙 성장을 위한 임계 응력 강도 인자 아래에 유지하기 위해 축방향 힘을 점진적으로 감소시키는 조심스런 제어에 의해, 연마를 요구하지 않고도 허용가능한 광학적 품질의 단부 표면을 가져오는 합당한 속도의 크랙 성장이 생성된다(그에 따라 현장 작업 환경에서 섬유 절단을 용이하게 한다)는 것이 드러났다. 광학적 품질 표면을 갖는 단일 평면의 형성에 의해 섬유 재료 내의 변형 에너지가 해방된다. 광섬유의 상황에서, 예를 들어, 광전 응용의 경우, 허용가능한 광학적 품질 표면은, 예를 들어, 공칭 평면에 관하여 500 nm, 바람직하게는 100 nm 미만의 최대 편차와, 20 nm 미만, 바람직하게는 5 nm 미만의 표면 피크-대-밸리 거칠기(peak-to-valley roughness)를 갖는, 지극히 평탄한 매끄러운 단일 평면이다.

전술된 분석과 계산에 기초하여 시뮬레이션이 수행되었고, 그 결과는 전술된 본 발명의 절단 프로세스는 의도된 결과, 즉 연마를 요구하지 않고도 광전 응용에 대한 허용가능한 품질을 갖는 단부 표면을 제공한다는 것을 보여주었다.

광섬유는, 본 발명의 범위와 사상으로부터 벗어나지 않고도, 전술된 원리에 기초하여 길이방향 축에 직교하거나 길이방향 축에 소정 각도를 이루는 단부 표면과 함께 절단될 수 있다. 예를 들어, 소정 각도(예를 들어, 8도)로 섬유의 단부를 절단하기 위하여 길이방향 축에 관하여 기울어진(예를 들어, 8도 정도) 평면 내에 섬유의 원주 주변의 타원을 스코어링하는 것이 가능하다.

도 1에 도시된 바와 같이 초기 표면 크랙의 연속된 원주 라인을 스코어링하는 것 대신에, 본 발명의 프로세스는 섬유의 원주 주변의 선택된 영역에서의 복수의 이산적 표면 크랙들의 분포(예를 들어, 점(point) 타입의 초기 표면 크랙의 균일하거나 대칭적인 원주 분포)를 이용하여 구현될 수 있다. 섬유 상의 점 표면 크랙에 의해 생성된 응력 프로파일에 대해서는, M. Muraoka, K. Ebata, and H. Abe, “Effect of Humidity on Small-Crack Growth in Silica Optical Fibers,” Journal of the American Ceramic Society, 76 [6], 1545-1550 (1993)를 참조하는, 도 5에 도시된 광섬유(25℃, 90% rh)의 파열된 표면(동전 형상의 초기 크랙)의 모노그래프를 참조할 수 있다.

또한, 이전 실시예들에서 크랙 전파를 개시하는 레벨(예를 들어, 전술된 실시예에서 언급된 "피크" 레벨)에서 섬유에 장력이 인가되기 이전에 초기 표면 크랙을 제공하는 것 대신에, 초기 표면 크랙을 제공하기 이전에 이러한 피크 레벨에서 또는 이 레벨에 가깝게 섬유에 장력이 가해질 수 있다. 본 발명에 따르면, 크랙 성장이 개시된 후에, 인가된 장력은, 응력 강도 인자의 허용가능한 범위 내에 머물도록 하는 방식으로 통제되며, 연마를 요구하지 않고도 허용가능한 광학적 품질의 단부 표면을 가져오는 합당한 속도의 크랙 성장이 생성된다.

* * *

본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 특정적으로 도시되고 설명되었지만, 당업자라면, 본 발명의 사상, 범위, 및 교시로부터 벗어나지 않고 형태와 세부사항에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 발명은 단지 예시적인 것으로서 간주되어야 하며, 첨부된 청구항들에 명시된 것으로만 범위가 제약된다.

Claims (20)

1. 광섬유를 절단(cleaving)하는 방법으로서,
   상기 광섬유의 표면에 초기 크랙(crack)을 제공하는 단계;
   상기 초기 크랙으로부터 크랙 성장을 개시하기 위해 초기 힘을 인가하는 단계; 및
   크랙 성장을 전파시켜 상기 광섬유를 절단하기 위해, 크랙 성장이 개시된 후에, 시변동 방식으로 상기 광섬유에 축방향 힘을 인가하는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 축방향 힘은 단조 감소하는 방식으로 인가되는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 축방향 힘은 시간에 따라 감소하는 방식으로 인가되는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 축방향 힘은 시간에 따라 감소하는 속도로 감소하는 방식으로 인가되는 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 축방향 힘은 크랙 성장에 따라 감소하는 방식으로 인가되는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 축방향 힘은 크랙 성장에 따라 점진적으로 감소하는 속도로 감소하는 방식으로 인가되는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 축방향 힘은 10^-6과 10^-4 m/s 사이의 범위의 크랙 성장 속도를 생성하도록 인가되는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 축방향 힘은, 상기 축방향 힘이 감소되고 있을 때 실질적으로 일정하게 유지되는 광섬유 상의 크랙에 대한 응력 강도 인자를 생성하도록 인가되는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 축방향 힘은, 0.750 MPa-m^0.5와 0.35 MPa-m^0.5 사이의 범위에 있는 광섬유 상의 크랙에 대한 응력 강도 인자를 생성하도록 인가되는 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 축방향 힘은, 연마를 요구하지 않고도 광학 품질을 갖는 절단된 단부 표면을 얻기에 합당한 속도로 안정적인 크랙 성장을 생성하는 방식으로 인가되는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 절단된 단부 표면은, 공칭 평면에 관하여 100nm 미만의 최대 편차와, 5nm 미만의 표면 피크-대-밸리 거칠기(peak-to-valley roughness)를 갖는 광학 품질을 갖는 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 초기 크랙은 상기 광섬유 둘레의 원주인 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 초기 크랙은 상기 초기 크랙을 넘어선 표면 아래 크랙(sub-surface crack)을 생성하지 않고 생성되는 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 축방향 힘은 장력(tension)으로 인가되는 방법.
15. 광섬유를 절단하는 방법으로서,
    상기 광섬유의 표면에 초기 크랙(crack)을 제공하는 단계;
    크랙 성장을 개시하기 위해 초기 힘을 인가하는 단계; 및
    연마를 요구하지 않고도 광학 품질을 갖는 절단된 단부 표면을 얻기에 합당한 속도로 안정적인 크랙 성장을 생성하는 방식으로 상기 광섬유에 축방향 힘을 인가하는 단계
    를 포함하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 축방향 힘은, 안정적인 크랙 성장을 생성하는 임계 응력 강도 인자에 있거나 그 아래에 있는 상기 섬유 상의 크랙에 대한 응력 강도 인자를 생성하도록 인가되는 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 응력 강도 인자는 0.750 MPa-m^0.5와 0.35 MPa-m^0.5 사이의 범위에 있는 방법.
18. 제15항에 있어서, 상기 축방향 힘은 시변동하는 방식으로 인가되는 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 축방향 힘은 시간에 따라 감소하는 방식으로 인가되는 방법.
20. 제18항에 있어서, 상기 축방향 힘은 크랙 성장에 따라 감소하는 방식으로 인가되는 방법.

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