KR20190089437A - 1.5 μm 이하의 직경 구간이 길고 균일한 광 섬유의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유의 제조 방법은 중앙부, 상기 중앙부보다 두꺼운 양단부, 상기 중앙부와 양단부 사이에 위치하는 경사부를 가지는 광 섬유를 제조하는 단계, 상기 중앙부에 가열 부재를 위치시키는 단계, 상기 광 섬유를 제1 방향으로 인장하는 동시에 상기 가열 부재를 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 이동시키며 상기 광 섬유를 가열하여 상기 광 섬유의 중앙부의 길이를 증가시키는 단계를 포함한다.

Description

1.5 μm 이하의 직경 구간이 길고 균일한 광 섬유의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF ULTRALONG, UNIFORM, AND SUBWAVELENGTH-DIAMETER OPTICAL FIBER}
본 발명은 광 섬유의 제조 방법에 관한 것이다.
광 섬유는 최소한의 손실로 광을 전송할 수 있는 광 도파로이다. 일반적인 광 섬유는 9 μm의 직경을 가지는 코어(core)가 125 μm의 직경을 가지는 클레이딩(cladding) 가운데에 위치하여 코어와 클레이딩 사이의 굴절률에 의해 전반사를 일으키며, 광을 원거리로 전송한다. 이 광 섬유는 실리카(유리)로 만들어지기 때문에 열을 가하며 당기면 길게 늘어나면서 코어와 클레이딩의 구분이 없어지는 파장 이하의 직경을 갖는 광 섬유를 만들 수 있다. 이때 양단부는 125 μm의 직경을 가지고 있고, 열에 의해 늘어난 부분은 점점 가늘어지는 경사부(tapered)를 가지며, 가운데에는 수 μm 내지 수백 nm의 직경을 가지는 중앙부가 수 cm 길이로 존재한다.
수 μm 내지 수백 nm의 직경을 가지는 나노 및 마이크로 광 섬유의 내부에서 광은 강하게 집속되고 광의 단위 면적당 강도(intensity)가 증가한다. 따라서, 강한 광 강도에서만 관측되는 비선형 효과가 강해지므로 빛과 물질의 상호 작용을 연구하고 이를 응용하는 여러 분야에 이용할 수 있다.
이러한 나노 및 마이크로 광 섬유를 제조하기 위해, 일반적으로 플레임 브러싱(flame brushing) 방법을 사용한다. 플레임 브러싱(flame brushing) 방법은 불꽃의 이동 속도와 구간 이동 반복 횟수를 조절함으로써 원하는 직경과 길이를 갖는 나노 및 마이크로 광섬유를 제조할 수 있다.
그러나, 플레임 브러싱 방법으로 제조하는 광 섬유는 두께가 일정한 중앙부를 수 cm 길이 까지만 제조할 수 있으며, 이마저도 목표 광 섬유의 직경에 따라 중앙부의 길이가 수 mm에서 수 cm 정도로 제한된다. 이에 중앙부의 직경이 나노 및 마이크로 직경을 가지면서, 또한 중앙부의 길이가 수십 cm를 갖는 광 섬유의 제작은 기존방법으로는 불가능하다.
본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중앙부의 직경이 얇으면서도 길고 균일한 광 섬유의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유의 제조 방법은 중앙부, 상기 중앙부보다 두꺼운 양단부, 상기 중앙부와 양단부 사이에 위치하는 경사부를 가지는 광 섬유를 제조하는 단계, 상기 중앙부에 가열 부재를 위치시키는 단계, 상기 광 섬유를 제1 방향으로 인장하는 동시에 상기 가열 부재를 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 이동시키며 상기 광 섬유를 가열하여 상기 광 섬유의 경사부의 길이를 감소시키고 상기 중앙부의 길이를 증가시키는 단계를 포함한다.
상기 경사부는 상기 중앙부와 인접하는 제1 경사부, 상기 양단부와 인접하는제2 경사부를 포함하고, 상기 가열 부재는 상기 제1 경사부를 가열하여 녹일 수 있다.
상기 가열 부재는 상기 제2 방향으로 감속되며 이동할 수 있다.
상기 광 섬유의 경사부의 직경이 기준 지점에서 1/e 배로 줄어드는 지점 사이의 길이를 L, 상기 가열 부재의 초기 이동 속도를 Vo, 상기 가열 부재의 이동 시간을 t, 상기 가열 부재의 이동 속도를 V(t)라 할 때,
Figure pat00001
일 수 있다.
상기 광 섬유의 중앙부의 길이는 상기 광 섬유를 인장하는 인장 속도 및 인장 시간의 곱에 비례하여 증가할 수 있다.
상기 광 섬유의 중앙부의 직경은 수 μm 내지 수백 nm이며 상기 광 섬유의 중앙부의 길이는 50cm 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유의 제조 방법은 수 μm 내지 수백 nm 이하의 얇은 두께를 균일하게 가지며, 중앙부가 50 cm 이상의 길이를 가지는 광 섬유를 제조할 수 있다.
따라서, 광 섬유 내부에서의 내부 손실을 최소화하여 75% 이상의 높은 투과율을 가지며, 비선형 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유의 제조 방법에 의해 제조된 광섬유는 사광파 혼합을 이용한 광자쌍 생성이나, 다양한 구조의 광도파로와의 결합을 통해 비선형광학, 양자광학 및 광-기계학 분야에 다양하게 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유의 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 도 1의 S10 단계를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 S20 단계를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 S30 단계를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 S30 단계 후, 완성된 광 섬유의 형태를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유의 제조 방법에 대하여 도 1 내지 도 5를 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유의 제조 방법의 순서도이고, 도 2는 도 1의 S10 단계를 구체적으로 도시한 도면이며, 도 3은 도 1의 S20 단계를 구체적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 S30 단계를 구체적으로 도시한 도면이며, 도 5는 도 1의 S30 단계 후, 완성된 광 섬유의 형태를 도시한 도면이다.
우선, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유의 제조 방법은 중앙부(12), 중앙부(12)보다 두꺼운 양단부(11), 중앙부(12)와 양단부(11) 사이에 위치하는 경사부(13)를 가지는 광 섬유(10)를 제조한다(S10). 이에 대해 이하에서 구체적으로 설명한다.
우선, 모든 영역에서 동일한 직경을 가지는 단일 모드 광 섬유(single mode fiber, SMF)(10)를 준비한다. 그리고, 광 섬유(10)의 양단부(11)를 인장기(100)로 잡고 인장기(100)를 이용하여 광 섬유(10)를 양 방향에서 소정의 인장 속도로 인장시킨다. 이 때, 광 섬유(10)에 인접하게 위치한 가열 부재(200)를 소정의 이동 속도로 수십 번 왕복 이송시키면서 광 섬유(10)를 가열하여 광 섬유(10)가 인장되도록 한다. 가열 부재(200)에 의해 가열된 부분은 녹으면서 인장기(100)의 인장력에 의해 직경이 점차로 변하는 경사부(13)가 되며, 경사부(13) 사이에 얇고 균일한 직경의 중앙부(12)가 형성된다. 이와 같이, 광 섬유(10)는 제1 직경(t1)을 가지는 양단부(11), 제1 직경(t1)보다 얇고 균일한 제2 직경(t2)을 가지며 소정 길이(d1)을 가지는 중앙부(12), 직경이 변하는 경사부(13)를 포함한다. 이 때, 제2 직경(t2)은 목표 직경보다 두꺼울 수 있으며, 예컨대, 2 내지 3 μm의 직경을 가질 수 있다.
경사부(13)의 직경 변화가 급격하면 광 손실이 커지기 때문에, 직경 변화를 아주 느리게(adiabatically) 변화시켜 경사부(13)에 의해 급격한 직경 변화를 방지하여 내부 손실을 최소화할 수 있다. 따라서, 광 섬유는 75% 이상의 높은 투과율을 가질 수 있다. 또한 광 섬유(10)는 중앙부의 가운데를 중심으로 좌우 대칭의 형태를 가지므로, 경사부(13)의 직경 변화가 양방향으로 동일할 수 있다. 본 실시예에서는 가열 부재(200)를 왕복 이송시켜 중앙부(12)의 제2 두께(t2)를 얇고 균일하게 제조하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 가열 부재(200)를 고정시키고 인장기(100)를 가열 부재 이동 속도로 왕복 이송시키며 광 섬유(10) 이송 방향에 있는 인장기(100)를 타방향의 인장기(100)보다 인장 속도만큼 빠르게 이동시키며 중앙부(12)의 제2 두께(t2)를 얇고 균일하게 제조하는 것도 가능하다.
이러한 중앙부(12)의 제2 두께(t2)는 수 μm의 두께를 가지며, 중앙부(12)의 길이(d1)은 수 cm의 길이를 가지게 된다.
종래에도 동일한 방법으로 이러한 두께 및 길이를 가지는 중앙부를 가지는 광 섬유를 제조하였다. 그러나, 양방향으로 인장하는 기존 기술의 한계로 수 μm 내지 수백 nm의 중앙부의 두께를 균일하게 수십 cm 길이까지 가지는 광 섬유(10)를 제조하기 어려웠다. 그러나, 본 실시예에서는 이후의 공정을 추가하여 두께를 더욱 얇게 만들면서 균일하게 수십 cm 길이까지 가지는 광 섬유(10)를 제조할 수 있다. 이하에서 도면을 참고로 상세히 설명한다.
도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 수 μm의 제2 두께(t2)를 가지는 중앙부(12)에 가열 부재(200)를 위치시킨다(S20).
다음으로, 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이, 광 섬유(10)의 일단부를 고정하고, 광 섬유(10)의 타단부를 인장기(100)로 잡아 제1 방향(X1)으로 소정의 인장 속도 (Vp)로 서서히 인장한다. 이 때, 가열 부재(200)를 제1 방향(X1)과 반대되는 제2 방향(X2)으로 이송 속도 (V(t))로 이동시킨다. 이 경우, 가열 부재(200)에 의해 광 섬유(10)는 국소적으로 가열되므로, 가열 부재(200)가 위치한 국소 부분이 녹으면서 인장에 필요한 물성을 공급한다.경사부(13)는 중앙부(12)와 인접하는 제1 경사부(131), 양단부(11)와 인접하는 제2 경사부(132)를 포함한다. 가열 부재(200)는 제1 경사부(131)의 국소 부분을 가열하여 녹이게 된다.
인장기(100)를 인장 속도 (Vp)로 이동시키면, 가열 부재(200)에 의해 녹은 제1 경사부의 국소 부분에서 광 섬유(10)가 인장되면서 목표 두께인 제3 두께(t3)을 갖는다. 광 섬유(10)의 길이는 인장 속도(Vp)와 인장 시간의 곱에 비례하여 늘어난다.광 섬유의 중앙부(12)의 두께는 제3 두께(t3)로 제2 두께(t2)보다 약간 얇아진다. 가열 부재(200)는 제2 방향(X2)으로 이동하여, 광 섬유가 녹는 국소 부분의 위치를 변화시켜 줌으로써 광 섬유의 제3 두께(t3)가 줄지 않고 일정하게 유지되게 한다.
광 섬유(10)의 경사부(13)의 두께가 기준 지점 (A)에서 1/e 배로 줄어드는 지점(B) 사이의 길이를 L, 가열 부재(200)의 초기 이동 속도를 Vo, 가열 부재(200)의 이동 시간을 t라 정의한다.
이 경우, 가열 부재(200)의 제2 방향(X1)으로의 이동 속도 V(t)는 아래 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure pat00002
구체적으로, 광 섬유(10)의 경사부(13)에서 광 섬유(10)의 두께가 1/e배로 감소하는 길이를 L로 정의한다. 이러한 L이 작은 경우에는 광 섬유(10)의 두께가 빨리 감소하는 것을 의미하며, L이 큰 경우에는 광 섬유(10)의 두께가 느리게 감소하는 것을 의미한다. 만약, L이 25 mm라며, 광 섬유(10)의 경사부(13)에서 25 mm 마다 광 섬유(10)의 두께가 1/e (약 36.8%) 정도 감소하게 된다.
이 때, 가열 부재(200)에 인접한 광 섬유(10)의 경사부(13)의 제1 경사부(131)만 녹기 때문에 인장력에 의해 늘어나는 부분은 좁은 영역이며, 녹은 부분은 가열 부재(200)에서 멀어지면서 냉각되어 재결정화되므로 더 이상 늘어나지 않게 된다. 따라서, 가열 부재(200)의 이동 속도(V(t)), 인장 속도 및 시간을 조절하여 원하는 제3 두께(t3) 및 길이의 나노 및 마이크로 광 섬유(10)를 제조할 수 있다.
또한, 경사부(13)에 의해 급격한 두께 변화를 방지할 수 있으므로 내부 손실을 최소화할 수 있어 75% 이상의 높은 투과율을 가질 수 있다.
이와 같이, 가열 부재(200)의 이동 속도(V(t))를 조절함으로써, 광 섬유(10)가 인장되어도 광 섬유(10)가 끊어지는 것을 방지할 수 있으며, 균일하고 얇은 두께의 아주 긴 중앙부를 가지는 광 섬유(10)를 제조할 수 있다. 도 5는 도 1의 S30 단계 후, 완성된 광 섬유의 형태를 도시한 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 상이 S30 단계를 모두 마치고 완성된 광 섬유(10)는 상기 제3 두께를 가지는 중앙부 길이(d2)를 갖는다. 이 경우, 균일한 두께를 가지는 부분의 길이는 d1보다 큰 d2가 된다. 균일한 두께를 가지는 중앙부(12)의 길이인 d2는 S30 단계의 인장 속도 Vp에 인장 시간 t를 곱한 값으로 수 십 cm 이상일 수 있다. 따라서, 수 μm 내지 수백 nm의 두께를 가지는 광 섬유(10)를 균일하게 50cm 이상 형성할 수 있다.
이와 같이, 가열 부재(200)의 이동 속도 및 이동 횟수, 광 섬유(10)를 인장기(100)로 인장하는 인장 속도 및 시간, 가열 부재(200)의 온도, 가열 부재(200)와 광 섬유(10)간의 거리를 조절하여 광 섬유(10)를 원하는 두께 및 길이로 제조할 수 있다.
이하에서, 900nm의 두께 및 50cm 이상의 균일한 중앙부 길이를 가지는 나노 광 섬유를 제조하는 경우의 실험예를 구체적으로 설명한다.
아래 표 1에 각 제조 단계에서의 가열 부재(200)의 이동 속도(V(t)), 가열 부재(200)의 이동 횟수(N), 광섬유를 인장기(100)로 인장하는 속도(Vp), 가열 부재(200)의 이동 시간(t), 경사부(13)의 두께가 감소하는 길이(L)을 예시하였다.
제조 단계 V(t)(mm/s) N(회) Vp(mm/s) t(s)
S10 4.7 52 0.016 4.5
S20 5 1 0.019 8
S30 Vo=0.01 (L=25mm) 1 2.35 380
표 1에 나타난 바와 같이, S10 단계에서는 광 섬유(10)를 따라 진행하는 광의 손실을 최소화하기 위해 광 섬유(10)의 두께를 느린 인장 속도 (Vp)로 변화시킨다. 이러한 S10 단계에서는 광 섬유(10)를 양 방향에서 인장하여 중앙부(12)가 원하는 두께(t2)를 가지게 만든다.
S20 단계에서는 가열 부재(200)의 위치를 중앙부(12)로 이동시킨다.
S30 단계에서는 광 섬유(10)를 일 방향으로만 인장시키고, 가열 부재(200)의 이동 속도 및 광 섬유(10)를 인장기(100)로 인장하는 인장 속도 및 시간을 조절하여 원하는 길이와 두께(t3)의 균일한 광 섬유(10)를 제조한다.
이 때, 가열 부재(200)의 온도와 감속되는 이동 속도 (V(t)), 가열 부재(200)와 광 섬유(10)간의 거리를 조절하여 광 섬유(10)의 단선을 방지할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 광 섬유 11: 양단부
12: 중앙부 13: 경사부
100: 인장기 200: 가열 부재

Claims (6)

  1. 중앙부, 상기 중앙부보다 두꺼운 양단부, 상기 중앙부와 양단부 사이에 위치하는 경사부를 가지는 광 섬유를 제조하는 단계,
    상기 중앙부에 가열 부재를 위치시키는 단계,
    상기 광 섬유를 제1 방향으로 인장하는 동시에 상기 가열 부재를 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 이동시키며 상기 광 섬유를 가열하여 상기 광 섬유의 중앙부의 길이를 증가시키는 단계
    를 포함하는 광 섬유의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 경사부는 상기 중앙부와 인접하는 제1 경사부, 상기 양단부와 인접하는제2 경사부를 포함하고,
    상기 가열 부재는 상기 제1 경사부를 가열하여 녹이는 광 섬유의 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 가열 부재는 상기 제2 방향으로 감속되며 이동하는 광 섬유의 제조 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 광 섬유의 경사부의 직경이 기준 지점에서 1/e 배로 줄어드는 지점 사이의 길이를 L, 상기 가열 부재의 초기 이동 속도를 Vo, 상기 가열 부재의 이동 시간을 t, 상기 가열 부재의 이동 속도를 V(t)라 할 때,
    Figure pat00003

    인 광 섬유의 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 광 섬유의 중앙부의 길이는 상기 광 섬유를 인장하는 인장 속도 및 인장 시간의 곱에 비례하여 증가하는 광 섬유의 제조 방법.
  6. 제4항에서,
    상기 광 섬유의 중앙부의 직경은 수 μm 내지 수백 nm이며 상기 광 섬유의 중앙부의 길이는 50cm 이상인 광 섬유의 제조 방법.
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