KR20130101054A - 광섬유 융착 접속 방법 - Google Patents

광섬유 융착 접속 방법 Download PDF

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KR20130101054A
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Abstract

광섬유의 단부면의 모서리의 변형을 저감하여, 다공 광섬유의 선단부의 구멍을 효과적으로 투명화해서, 코어 조심을 가능하게 한 광섬유 융착 접속 방법을 제공한다. 클래드에 축을 따라 다수의 구멍을 가지는 다공 광섬유(11, 12)를 다른 광섬유와 방전 가열에 의해 융착 접속하는 광섬유 융착 접속 방법으로서, 다공 광섬유(11)의 단부면(11a)의 온도보다 후방측의 온도가 높아지도록 제 1 방전 가열을 실행하고, 다공 광섬유(11)의 선단 영역(11c)을 투명화해서 코어 조심을 실행하고, 그 후, 제 2 방전 가열에 의해 융착 접속한다. 상기 제 1 방전 가열은 방전 전극을 다공 광섬유의 단부면보다 후방측에 위치시킨 상태로 실행한다. 또한, 제 1 방전 가열은 방전 가열 시간이 200 밀리초 내지 400 밀리초인 것이 바람직하다.

Description

광섬유 융착 접속 방법{METHOD FOR FUSION SPLICING OPTICAL FIBERS}
본 발명은 클래드(clad)에 다수의 구멍을 갖는 광섬유를 방전 가열에 의해 융착 접속하는 방법에 관한 것이다.
다공 광섬유(holey optical fiber)는, 코어를 둘러싸는 클래드에 다수의 미세한 구멍을 규칙적으로 또는 랜덤하게 그 축을 따라 배치하여, 클래드의 굴절률을 감소시켜 코어에 대해서 굴절률 차이를 갖게 한 광섬유이다. 이러한 다공 광섬유는, 도펀트(dopant)를 첨가하는 일 없이 대폭적으로 클래드의 굴절률을 변경할 수 있어, 클래드의 일부에 동심 형상으로 다수의 구멍을 가지는 것, 클래드의 전체에 다수의 구멍을 가지는 것 등, 여러 가지의 형태가 있다. 도 5는 다공 광섬유의 예를 도시하는 단면도이다. 도 5의 (A) 영역의 다공 광섬유(1)는 코어(2)와, 코어(2)를 둘러싸는 클래드(3)를 포함하고, 클래드(3)에는, 구멍이 없는 내측 영역(3a), 다수의 미세한 구멍(4)을 갖는 중간 영역(3b), 구멍이 없는 외측 영역(3c)이 내측으로부터 순차적으로 동심 형상으로 마련되어 있다.
도 6은 다공 광섬유(100a, 100b)를 융착 접속하는 모양을 도시하는 측면도이다. 광섬유(100a, 100b)의 축방향과 직교하도록 배치한 한 쌍의 방전 전극(104)에 의한 아크 방전의 열에 의해, 광섬유의 단부면(105a와 105b)을 용융하여, 맞대어서 융착 접속이 실행된다. 그러나, 도 7에 도시하는 바와 같이, 다공 광섬유(100)는, 섬유 측면으로부터 조명광을 쬐어서 광학적으로 관찰하는 경우, 다수의 미세한 구멍(103)의 존재에 의해서 그대로는 코어(101)를 검지할 수 없다. 이 때문에, 코어 조심(調心)에 의한 위치맞춤을 실행할 수 없어, 정밀도가 양호한 융착 접속을 할 수 없다.
일본 공표 특허 제 2010-509641 호 공보는, 광섬유의 선단 부분에 있어서 구멍을 메워서, 측방으로부터 코어를 광학적으로 검출할 수 있게 하는 융착 접속 방법을 기재하고 있다. 이 방법에서는, 광섬유(100a, 100b)의 선단면(105a와 105b)을 맞대기에 앞서 서로 떨어진 상태에서 방전 가열하여, 광섬유(100a, 100b)의 선단 부분의 구멍(103)을 메워서, 코어를 광학적으로 검지 가능한 상태로 하고 있다. 이후, 코어를 광학적으로 식별함으로써 광섬유(100a, 100b)를 코어 조심하여 위치 맞춤하여, 상호의 광섬유의 단부면(105a와 105b)을 맞대어서 방전 가열에 의해 융착 접속하고 있다.
도 8은 맞대기에 앞서 실행되는 방전 가열에 있어서의 광섬유 선단의 온도 프로파일을 설명하는 개념도이다. 한 쌍의 방전 전극(104)의 중심을 통과하는 축선(Y)에 대해서, 다공 광섬유(100a, 100b)의 선단면(105a와 105b)은 거리(L)만큼 이격한 상태로 방전 가열된다. 가열 온도는, 축선(Y)을 통과하는 위치가 가장 고온이고 광섬유의 후방을 향해 저온으로 된다. 따라서, 광섬유로서는, 선단면(105a, 105b)의 부분이 가장 고온에 노출되어 주위의 모서리가 없어져서, 비교적으로 큰 곡률 반경(R)을 갖는 형상이 된다. 선단면(105a, 105b)의 모서리의 곡률 반경(R)이 커지면, 축 어긋남이나 접속부의 가늘어짐에 의해 융착 접속의 융착 면적이 작아져서, 접속 불량이나 접속 손실의 증가가 생기기 쉬워진다. 한편, 곡률 반경(R)이 커지지 않도록 방전 가열량을 적게 하면, 광섬유의 구멍의 메움이 불충분하여 코어 위치를 검출할 수 없어, 코어 조심을 실행하는 것이 곤란해진다.
일본 공표 특허 제 2010-509641 호 공보
본 발명의 목적은, 다공 광섬유의 단부면의 모서리의 변형을 억제한 상태로, 구멍을 효과적으로 메워서, 코어 조심을 가능하게 한 광섬유 융착 접속 방법을 제공하는 것이다.
목적을 달성하기 위해, 클래드에 다수의 구멍을 가지는 다공 광섬유를 다른 광섬유와 융착 접속하는 방법으로서, (1) 다공 광섬유의 선단 영역에 있어서 단부면의 온도보다 후방측의 온도가 높아지도록 제 1 방전 가열을 실행하여 선단 영역을 투명화하고, (2) 다공 광섬유의 단부면과 다른 광섬유의 단부면을 대향시킨 상태로 다공 광섬유의 코어와 다른 광섬유의 코어를 측면으로부터 관찰하여 쌍방의 코어의 중심축이 일치하도록 다공 광섬유와 다른 광섬유를 조심하고, (3) 다공 광섬유의 단부면과 다른 광섬유의 단부면을 제 2 방전 가열에 의해 용융시킨 상태로 다공 광섬유의 단부면과 다른 광섬유의 단부면을 맞대는 광섬유 융착 접속 방법이 제공된다. 여기서, 본 발명에 있어서, 「투명화한다」란, 광섬유의 측면측으로부터 코어가 광학적으로 식별 가능한 정도로 구멍을 중실화(中實化)하는 것이며, 완전한 중실화 상태를 의미하는 것은 아니다.
제 1 방전 가열은 방전 전극을 다공 광섬유의 단부면보다 후방측에 위치시킨 상태로 실행하는 것이 바람직하다. 또, 제 1 방전 가열은 방전 가열 시간이 200 밀리초 내지 400 밀리초인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 다공 광섬유의 단부면의 모서리의 변형을 억제한 상태에서 선단 영역을 투명화할 수 있어, 코어를 관찰하여 조심하는 것이 가능해져, 고품질로 저손실의 융착 접속을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 융착 접속 장치의 일례를 도시하는 개념도,
도 2는 본 발명에 의한 다공 광섬유의 융착 접속 방법을 도시하는 흐름도,
도 3은 도 2의 단계 S1 내지 단계 S5 및 단계 S10의 작업 상태를 도시하는 도면,
도 4는 도 2의 단계 S3에 있어서의 광섬유 선단의 온도 프로파일을 설명하는 개념도,
도 5는 다공 광섬유의 예를 도시하는 단면도,
도 6은 종래 기술에 있어서의 다공 광섬유를 융착 접속하는 모양을 도시하는 측면도,
도 7은 종래 기술에 있어서의 다공 광섬유의 선단부의 측면도,
도 8은 맞대기에 앞서 실행되는 방전 가열에 있어서의 광섬유 선단의 온도 프로파일을 설명하는 개념도.
본 발명의 실시형태가 이하에서, 도면을 참조하여 설명된다. 도면은 설명을 목적으로 하고, 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 도면에 있어서, 설명의 중복을 피하기 위해, 동일한 부호는 동일 부분을 나타낸다. 도면 내의 치수의 비율은 반드시 정확하지는 않다.
도 5는 다공 광섬유의 예를 도시하는 단면도이다. 도 5의 (A) 영역의 다공 광섬유(1)는 광섬유의 클래드(3)의 일부에 미세한 구멍(4)을 동심 형상으로 마련한 예이다. 다공 광섬유(1)는, 중앙에 코어(2)를 가지고, 이 코어를 둘러싸는 클래드(3)에는, 구멍이 없는 내측 영역(3a)의 외측에 다수의 미세한 구멍(4)을 가지는 중간 영역(3b), 그 외측에 구멍이 없는 외측 영역(3c)이 동심 형상으로 마련되어 있다. 또, 도 5의 (B) 영역의 다공 광섬유(1')는, 중앙에 코어(2)를 가지고, 이 코어를 둘러싸는 클래드(3')의 전체 영역에 다수의 미세한 구멍(4)을 마련한 예이다.
다공 광섬유(1, 1')는, 예를 들어 단일 모드 섬유(single mode fiber)로서, 유리 부분의 외경은 표준적인 125㎛이며, 코어(2)의 직경은, 예를 들어 7㎛ 내지 10㎛ 정도이다. 또, 유리 부분의 외면에는, 통상의 광섬유와 마찬가지로, 도시되어 있지 않은 섬유 피복이 실시되어, 유리 표면이 보호되고 기계적 강도가 높아진다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 융착 접속 장치의 일례를 도시하는 개념도로서, 상술한 다공 광섬유의 융착 접속에 사용된다. 상호 융착 접속되는 광섬유(11와 12)는, 쌍방이 다공 광섬유이어도 좋고, 어느 한쪽이 구멍이 없는 통상의 광섬유이어도 좋다. 이하의 설명에서는, 상호 융착 접속되는 광섬유(11과 12)의 쌍방이 다공 광섬유인 예로 설명한다.
한 쌍의 다공 광섬유(11과 12)는, 융착 접속에 있어서, 선단부측의 섬유 피복(11b, 12b)을 소정량 제거하여 유리 부분이 노출된다. 쌍방의 광섬유의 섬유 피복(11b, 12b)의 단부 부분이 피복 클램프(15)로 고정되고, 유리 부분이 V홈(14) 및 도시되어 있지 않은 유리 클램프로 유지 고정된다. 쌍방의 광섬유의 선단부의 단부면(11a와 12a)은 축에 대해 직각으로 절단되거나 또는 신호광의 반사 방지를 위해서 소정의 각도로 절단되어 대향 배치시킨다. 또, 광섬유의 선단부의 위치 및 단부면(11a, 12a)의 상태는, 서로 직교하도록 배치된 투광기(17x, 17y)와 촬상 카메라(16x, 16y)(도시되지 않음)로 이루어지는 화상 관찰 기구에 의해, 2 방향으로부터 관찰된다.
한 쌍의 방전 전극(13)은, 서로 융착 접속되는 다공 광섬유(11와 12)의 축과 직교하도록, 광섬유의 단부면(11a, 12a)을 사이에 두어 대향 배치된다. 광섬유의 융착 접속은, 방전 전극(13)에 의한 아크 방전의 열에 의해, 좌우의 광섬유의 단부면(11a와 12a)을 용융하여, 맞대어 실행되지만, 통상, 광섬유를 융착 접속하기 전에 접속단이 되는 선단부를 광섬유가 용융하지 않는 정도의 클리닝 방전 가열[스퍼터링(sputtering) 방전 가열이라고도 함]이 실행된다. 이 클리닝 방전 가열에 의해, 광섬유의 선단부의 단부면(11a, 12a) 및 그 근방의 수분, 먼지, 섬유 절단시의 절삭 부스러기 등의 도펀트의 제거가 실행된다.
클리닝 방전 가열은, 통상의 구멍이 없는 광섬유의 융착 접속에 있어서는, 광섬유의 단부면(11a와 12a) 사이의 소정의 간극으로 대향하도록 세팅하여, 방전 전극(13)에 의한 아크 방전의 중심이 광섬유의 단부면(11a와 12a) 사이의 간극의 중심을 통과하도록 실행된다. 이것에 의해, 쌍방의 광섬유(11, 12)의 선단부가 동시에 가열되어 클리닝된다.
본 발명에 있어서는, 후술하는 바와 같이, 클리닝 방전 가열(제 1 방전 가열)을 실행함에 있어서, 서로 융착 접속되는 광섬유(11, 12)의 선단부의 구멍을 가열에 의해 메워서 투명화하여, 광섬유의 코어의 화상 관찰을 가능하게 한다. 또, 본 발명에 있어서의 광섬유(11, 12)의 선단부의 클리닝 방전 가열은, 후술하는 바와 같이 좌우의 광섬유에서 개별적으로 실행하고, 또한 광섬유의 선단면(11a와 12a)보다 후방의 위치를 아크 방전의 중심이 통과하도록 하여 실행된다.
다음에, 본 발명에 의한 다공 광섬유의 융착 접속 방법을 설명한다. 도 2는 본 발명에 의한 다공 광섬유의 융착 접속 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 3은 도 2의 단계 S1 내지 단계 S5 및 단계 S10의 작업 상태를 도시하는 도면이다.
우선, 투광기(17x, 17y)와 촬상 카메라(16x, 16y)에 의해 광섬유의 단부면(11a, 12a)의 상태, 단부면 위치를 관찰하면서, 한 쌍의 다공 광섬유(11, 12)가 도 1에 도시된 융착 접속 장치에 세팅된다(단계 S1). 다음에, 우측의 광섬유(12)를 후퇴시키고, 좌측의 광섬유(11)를 단부면(11a)이 방전 전극(13)의 중심으로부터 우측으로 소정량만큼 돌출하는 위치까지 전진시킨다(단계 S2). 이 상태로, 방전 전극(13)에 의해 좌측의 광섬유(11)의 선단부를 클리닝 방전 가열(제 1 방전 가열)한다(단계 S3). 이 가열에 의해, 좌측의 광섬유(11)의 선단부의 구멍이 메워져, 선단 영역(11c)이 투명화된 상태가 된다.
이어서, 클리닝 방전 가열의 처리를 종료한 좌측의 광섬유(11)을 후퇴시키고, 우측의 광섬유(12)를 단부면(12a)이 방전 전극(13)의 중심으로부터 좌측으로 소정량만큼 돌출하는 위치까지 전진시킨다(단계 S4). 이 상태로, 방전 전극(13)에 의해 우측의 광섬유(12)를 클리닝 방전 가열한다(단계 S5). 이 가열에 의해, 우측의 광섬유(12)의 선단부의 구멍이 메워져, 선단 영역(12c)이 투명화된 상태가 된다.
또한, 단계 S2와 단계 S4에 있어서, 광섬유의 단부면(11a, 12a)이 방전 전극(13)의 중심으로부터 돌출하는 거리는 광섬유의 종류나 구멍의 수 등에 의해 조정된다. 또, 후퇴시키는 광섬유는 클리닝 방전 가열의 영향을 받지 않는 위치까지 후퇴시킨다. 단계 S3와 단계 S5의 클리닝 방전 가열의 방전 가열 시간도 마찬가지로, 광섬유의 종별, 구멍의 크기나 수에 따라서도 다르지만, 후술하는 바와 같이, 광섬유의 단부면(11a, 12a)의 모서리가 크게 변형하지 않는 정도의 온도가 되도록 설정된다.
단계 S1 내지 단계 S5에서, 융착 접속에 앞서 클리닝 방전 가열을 종료한 후, 최초의 세팅 상태로 복귀하여, 광섬유(11, 12)의 대략적인 조심(粗調心)을 실행한다(단계 S6). 이러한 대략적인 조심은, 도 1의 융착 접속 장치에서, 피복 클램프(15) 및 V홈(14)을 이동시켜서 섬유 외경을 기준으로 하여 대략의 융착 접속 위치가 정해진다. 광섬유의 단부면(11a, 12a)의 상태, 단부면 위치를 확인하고(단계 S7), 특별히 이상이 없으면, 광섬유의 융착 접속에 적절한 미리 설정된 광섬유의 단부면(11a와 12a)의 간격이 조정된다(단계 S8).
다음에, 좌우의 광섬유 사이의 코어 조심이 실행된다(단계 S9). 이 코어 조심은, 광학적으로 투명화된 광섬유(11, 12)의 선단부를, 투광기(17x, 17y)와 촬상 카메라(16x, 16y)에 의해 촬상하고, 섬유축의 복수 개소에 있어서의 섬유 단부면의 휘도(輝度) 분포를 화상 처리해서 코어 위치 및 코어의 기울기를 검출한다. 그리고, 광섬유(11, 12)의 코어가 일직선상에 늘어서도록, 피복 클램프(15) 및 V홈(14) 등의 위치를 미조정하여 코어 조심을 실행한다.
이후, 소정의 방전 파워와 방전 시간에 의해 광섬유의 단부면(11a, 12a)을 융착 방전 가열(제 2 방전 가열)하여 용융하고, 한쪽의 단부면을 다른쪽의 단부면에 가압하여 맞대는 것에 의해 융착 접속한다(단계 S10). 다음에, 투명화된 광섬유의 선단부 및 융착 상태를 투광기(17x, 17y)와 촬상 카메라(16x, 16y)에 의해 촬상하여, 코어 축 어긋남량의 계측과 전체의 관찰을 실행한다(단계 S11). 그리고, 코어 축 어긋남 등을 기초로 추정 로스(loss)를 산출하여, 이것을 표시한다(단계 S12).
도 4는 도 2의 단계 S3에 있어서의 광섬유 선단의 온도 프로파일을 설명하는 개념도이다. 클리닝 방전 가열시에, 광섬유(11)의 단부면(11a)은 방전 전극(13)의 중심을 통과하는 라인(Y)에 대해서 거리(D)만큼 돌출한 위치에 배치된다. 즉, 클리닝 방전 가열의 아크 방전은, 광섬유(11)의 단부면(11a)의 후방 위치를 횡단하는 형태가 된다. 이 결과, 광섬유(11)의 단부면(11a)의 온도는 아크 방전의 중심이 통과하는 후방 위치의 온도보다 낮은 온도가 된다. 그리고, 광섬유의 단부면 온도를 다공 광섬유의 구멍을 메우는 것이 가능한 온도가 되도록 설정함으로써, 단부면(11a)의 모서리의 변형을 최소로 하여, 곡률 반경(R)을 작게 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 광섬유의 선단부에서 광학적으로 관찰하는 것이 가능한 영역, 즉 투명화되는 선단 영역(11c)은, 광섬유의 단부면으로부터 100㎛ 내지 200㎛ 정도인 것이 바람직하다. 따라서, 클리닝 방전 가열에서, 광섬유의 단부면(11a)이 방전 전극(13)의 중심으로부터 돌출하는 거리(D)는, 상기의 관찰 영역이 얻어지도록, 그것의 1/2인 50㎛ 내지 100㎛ 위치로 설정하는 것이 바람직하다.
또, 클리닝 방전 가열의 방전 가열 시간은, 광섬유의 단부면(11a, 12a)의 모서리의 변형에 의해 생기는 곡률 반경(R)은 15㎛ 이하로 억제되는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 방전 가열 시간은 400 밀리초 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 너무 방전 가열 시간이 적으면 구멍의 메움이 적어 투명화가 불충분해지므로, 200 밀리초 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 도 8의 종래 기술의 방법에 의하면, 방전 가열 시간은 500 밀리초 내지 1250 밀리초를 필요로 하고, 곡률 반경(R)은 20㎛ 내지 25㎛ 정도가 된다.

Claims (3)

  1. 클래드에 다수의 구멍을 가지는 다공 광섬유를 다른 광섬유와 융착 접속하는 방법에 있어서,
    다공 광섬유의 선단 영역에 있어서 단부면의 온도보다 후방측의 온도가 높아지도록 제 1 방전 가열을 실행하여 상기 선단 영역을 투명화하고,
    상기 다공 광섬유의 단부면과 다른 광섬유의 단부면을 대향시킨 상태로, 상기 다공 광섬유의 코어와 상기 다른 광섬유의 코어를 측면으로부터 관찰하여, 쌍방의 코어의 중심축이 일치하도록 상기 다공 광섬유와 상기 다른 광섬유를 조심하고,
    상기 다공 광섬유의 단부면과 상기 다른 광섬유의 단부면을 제 2 방전 가열에 의해 용융시킨 상태로, 상기 다공 광섬유의 단부면과 상기 다른 광섬유의 단부면을 맞대는
    광섬유 융착 접속 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방전 가열은 방전 전극을 상기 다공 광섬유의 단부면보다 후방측에 위치시킨 상태로 실행하는
    광섬유 융착 접속 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 방전 가열은 방전 가열 시간이 200 밀리초 내지 400 밀리초인
    광섬유 융착 접속 방법.
KR1020137009235A 2010-10-14 2011-10-07 광섬유 융착 접속 방법 KR101811081B1 (ko)

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