KR20230141081A - Large-Diameter Optical Fiber having Large Mode Area and Fabrication Method Thereof - Google Patents
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Abstract
Description
개시되는 실시예들은 광섬유 및 이의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 넓은 모드를 갖는 대구경 광섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The disclosed embodiments relate to optical fibers and methods and devices for manufacturing the same, and to large-diameter optical fibers with a wide mode and methods for manufacturing the same.
광섬유 레이저는 높은 에너지 효율, 우수한 광학 품질 및 변환 효율, 소형 크기 등의 장점을 가지고 있으며, 지난 수십 년 동안 가간섭성 광원으로서 많은 관심을 받아왔다. 그러나 광섬유 레이저로서 고출력 레이저를 이용하는 경우에 발생하는 비선형 광학 효과로 인해 빔의 품질이 저하되고 및 출력이 제한된다는 한계가 존재한다.Fiber lasers have advantages such as high energy efficiency, excellent optical quality and conversion efficiency, and small size, and have received much attention as a coherent light source over the past decades. However, there are limitations in that beam quality is deteriorated and output is limited due to nonlinear optical effects that occur when using a high-output laser as an optical fiber laser.
고출력 광섬유 레이저에서 광학적 비선형성을 억제하는 효율적인 방법 중 하나는 넓은 모드 영역 광섬유를 적용하는 것이다. 광섬유가 넓은 모드 영역을 가져 코어 직경이 확대되면 큰 유효 면적을 얻을 수 있지만, 단일 모드를 충족시키기 위해서는 코어의 굴절률이 낮아야 하고 코어 영역에 고르게 분포되어야 한다. 그리고 이 경우, 광섬유가 기계적 굽힘에 민감하게 되어, 광섬유의 제조 공정에서의 문제를 발생시킨다.One of the efficient ways to suppress optical nonlinearity in high-power fiber lasers is to apply wide mode area optical fibers. An optical fiber has a wide mode area, so a large effective area can be obtained when the core diameter is enlarged. However, in order to satisfy a single mode, the refractive index of the core must be low and evenly distributed over the core area. And in this case, the optical fiber becomes sensitive to mechanical bending, causing problems in the optical fiber manufacturing process.
따라서 광섬유 레이저 및 증폭기의 성능을 향상시키기 위해서는 넓은 모드 영역을 갖는 광섬유를 효율적으로 설계 및 제조할 수 있어야 한다. 최근 고출력 광섬유 레이저 및 증폭기에서의 높은 빔 품질을 보장하기 위해 PCF(Photonic Crystal Fiber), LCF(Leakage channel fiber), holey fiber, step-index fiber 등 다양한 넓은 모드 영역 광섬유가 연구되었다. 하지만, 이와 같은 광섬유들은 최첨단 설비에서도 양산하기에 어렵다는 한계가 존재한다.Therefore, in order to improve the performance of optical fiber lasers and amplifiers, it is necessary to efficiently design and manufacture optical fibers with a wide mode area. Recently, various wide mode area optical fibers such as PCF (Photonic Crystal Fiber), LCF (Leakage Channel Fiber), holey fiber, and step-index fiber have been studied to ensure high beam quality in high-power fiber lasers and amplifiers. However, such optical fibers have limitations in that they are difficult to mass-produce even in state-of-the-art facilities.
따라서, 설계 및 제조 과정이 복잡하지 않으며 기계적 굽힘에 강한 섬유가 필요하다.Therefore, the design and manufacturing process is not complicated and fibers that are resistant to mechanical bending are needed.
개시되는 실시예들은 기계적 굽힘에 강하면서 넓은 모드를 갖는 우수한 품질의 대구경 광섬유 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.The disclosed embodiments provide a high-quality large-diameter optical fiber that is strong against mechanical bending and has a wide mode, and a method of manufacturing the same.
개시되는 실시예들은 방위가 방향으로 저굴절률 세그먼트와 고굴절률 세그먼트가 교대로 반복 배열된 클래딩을 갖는 세그먼트 클래딩 섬유를 저비용으로 용이하게 제조할 수 있는 광섬유 제조 방법을 제공하는데 있다.The disclosed embodiments provide a method for manufacturing an optical fiber that can easily and at low cost manufacture a segmented cladding fiber having cladding in which low-refractive-index segments and high-refractive-index segments are alternately arranged in an azimuth direction.
실시예에 따른 광섬유 제조 방법은 다수의 로드를 제조하는 단계; 상기 다수의 로드 중 제1 굴절률을 갖는 다수의 제1 로드와 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 갖는 다수의 제2 로드를 제1 굴절률 영역과 제2 굴절률 영역이 구분된 광섬유의 단면 구조에 따라 스택하여 예비 프리폼을 제작하는 단계; 상기 예비 프리폼을 프리폼 튜브에 삽입하여 최종 프리폼을 획득하는 단계; 및 상기 최종 프리폼을 가열 및 인발하여 광섬유를 획득하는 단계를 포함한다.An optical fiber manufacturing method according to an embodiment includes manufacturing a plurality of rods; Among the plurality of rods, a plurality of first rods having a first refractive index and a plurality of second rods having a second refractive index lower than the first refractive index are formed according to the cross-sectional structure of the optical fiber in which the first refractive index region and the second refractive index region are divided. Stacking to produce a preliminary preform; Obtaining a final preform by inserting the preliminary preform into a preform tube; and obtaining an optical fiber by heating and drawing the final preform.
상기 예비 프리폼을 제작하는 단계는 상기 다수의 제1 로드와 상기 제2 로드를 상기 광섬유의 단면 구조에 따라 배치하면서 재결정 온도 이상으로 가열하여 결합할 수 있다.In the step of manufacturing the preliminary preform, the plurality of first rods and the second rods may be combined by heating them to a recrystallization temperature or higher while arranging them according to the cross-sectional structure of the optical fiber.
상기 광섬유는 단면 상에서 중앙에 위치하는 제1 굴절률의 코어와 상기 코어 주변으로 방위각 방향으로 제1 굴절률을 갖는 다수의 제1 세그먼트와 제2 굴절률을 갖는 다수의 제2 세그먼트가 교대로 반복 배열된 구조의 클래딩을 갖는 세그먼트 클래딩 섬유(이하 SCF)로 구현될 수 있다.The optical fiber has a structure in which a core having a first refractive index located at the center in a cross-section, a plurality of first segments having a first refractive index, and a plurality of second segments having a second refractive index are alternately arranged in an azimuthal direction around the core. It can be implemented as a segment cladding fiber (hereinafter referred to as SCF) with a cladding of
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 상기 다수의 로드가 동일한 직경과 길이를 갖도록 제조할 수 있다.In the step of manufacturing the plurality of rods, the plurality of rods may be manufactured so that the plurality of rods have the same diameter and length.
상기 예비 프리폼을 제작하는 단계는 상기 다수의 제1 로드를 상기 코어의 크기 및 형상에 따라 스택하고, 상기 다수의 제1 로드와 상기 다수의 제2 로드를 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트의 크기 및 형상에 따라 스택하여 상기 예비 프리폼을 획득할 수 있다.The step of manufacturing the preliminary preform includes stacking the plurality of first rods according to the size and shape of the core, and stacking the plurality of first rods and the plurality of second rods into the first segment and the second segment. The preliminary preform can be obtained by stacking according to size and shape.
상기 예비 프리폼을 제작하는 단계는 서로 다른 직경으로 구현된 상기 다수의 로드 중 가장 큰 직경을 갖는 제1 로드를 코어 로드로서 중심에 배치되고, 상기 코어 로드의 주위에 상기 다수의 제1 로드 및 제2 로드를 직경에 따라 배치하여 상기 클래딩을 구현하되, 작은 직경을 갖는 로드를 상기 코어에 인접하여 배치할 수 있다.In the step of manufacturing the preliminary preform, a first rod having the largest diameter among the plurality of rods implemented with different diameters is placed at the center as a core rod, and the plurality of first rods and the first rod are around the core rod. 2 The cladding is implemented by arranging rods according to diameter, but rods having a small diameter can be arranged adjacent to the core.
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 로드 튜브에 상기 제2 로드를 구현하기 위한 실리카 파우더 또는 상기 제1 로드를 구현하기 위한 실리카 파우더와 불순물을 혼합한 믹스 파우더를 삽입하고, 실리카 파우더 또는 믹스 파우더가 삽입된 로드 튜브를 가열 및 인발하여 상기 다수의 로드를 획득할 수 있다.The step of manufacturing the plurality of rods includes inserting silica powder for implementing the second rod or a mix powder mixed with silica powder and impurities for implementing the first rod into the rod tube, and the silica powder or mix powder is The plurality of rods can be obtained by heating and drawing the inserted rod tube.
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 실리카 파우더 또는 믹스 파우더가 삽입된 로드 튜브를 재결정 온도 이상의 온도로 가열하면서 인발하여 로드를 획득할 수 있다.In the step of manufacturing the plurality of rods, the rods can be obtained by drawing the rod tube into which silica powder or mix powder is inserted while heating it to a temperature above the recrystallization temperature.
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 재결정 온도 이하의 온도로 1차 및 2차 가열하여 건조시킨 후, 재결정 온도 이상의 온도로 가열 및 인발할 수 있다.In the step of manufacturing the plurality of rods, the rods may be dried by primary and secondary heating at a temperature below the recrystallization temperature, and then heated and drawn at a temperature above the recrystallization temperature.
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 상기 로드 내에 기포가 발생되지 않도록 상기 1차 가열 이후, 상기 로드 튜브에 헬륨을 주입하고 2차 가열할 수 있다.In the step of manufacturing the plurality of rods, helium may be injected into the rod tube and secondary heating may be performed after the primary heating to prevent bubbles from being generated within the rod.
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 실리카 파우더 또는 상기 믹스 파우더를 가열하여 수분을 제거한 후 상기 로드 튜브에 삽입할 수 있다.In the step of manufacturing the plurality of rods, the silica powder or the mixed powder may be heated to remove moisture and then inserted into the rod tube.
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 상기 실리카 파우더에 상기 불순물인 알루미나 파우더를 혼합하여 상기 믹스 파우더를 획득할 수 있다.In the step of manufacturing the plurality of rods, the mixed powder can be obtained by mixing the alumina powder, which is the impurity, with the silica powder.
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 제2 굴절률을 갖는 실리카 튜브에 상기 실리카 파우더 또는 믹스 파우더를 삽입할 수 있다.In the step of manufacturing the plurality of rods, the silica powder or mixed powder may be inserted into a silica tube having a second refractive index.
상기 다수의 로드를 제조하는 단계는 상기 제1 로드 제조 시에는 제2 굴절률을 갖는 실리카 튜브에 상기 실리카 파우더를 삽입하고, 상기 제2 로드 제조시에는 제1 굴절률 이상의 굴절률을 갖는 소재로 구현된 튜브에 믹스 파우더를 삽입할 수 있다.The step of manufacturing the plurality of rods includes inserting the silica powder into a silica tube having a second refractive index when manufacturing the first rod, and inserting the silica powder into a silica tube having a refractive index greater than or equal to the first refractive index when manufacturing the second rod. Mix powder can be inserted into.
실시예에 따른 광섬유 광섬유는 코어 및 상기 코어의 주위로 서로 다른 굴절률을 갖는 적어도 하나의 제1 세그먼트와 적어도 하나의 제2 세그먼트로 구분되어 형성되는 클래딩을 포함하는 광섬유에 있어서, 상기 코어 및 상기 적어도 하나의 제1 세그먼트 각각에 따라 스택되어 배치되고 제1 굴절률을 갖는 다수의 제1 로드; 및 상기 적어도 하나의 제2 세그먼트 각각에 따라 스택되어 배치되고 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 갖는 다수의 제2 로드를 포함하는 프리폼이 인장된 구조를 갖는다.An optical fiber according to an embodiment is an optical fiber including a core and a cladding formed around the core divided into at least one first segment and at least one second segment having different refractive indices, wherein the core and the at least a plurality of first rods arranged in a stack along each of one first segment and having a first refractive index; and a preform including a plurality of second rods stacked and disposed along each of the at least one second segment and having a second refractive index lower than the first refractive index.
따라서, 실시예에 따른 광섬유 및 이의 제조 방법은 실리카 분말 단독 또는 실리카 분말과 도핑 분말이 혼합된 혼합 분말을 유리관에 채워 열간 인발함으로써 다수의 로드를 획득하고, 획득된 다수의 로드를 스택하여 프리폼을 제작한 후 다시 열간 인발하여 광섬유를 제조함으로써, 넓은 모드를 갖고 기계적 굽힘에 강한 세그먼트 클래딩 섬유를 저비용으로 용이하게 제조할 수 있다.Therefore, the optical fiber and its manufacturing method according to the embodiment obtain a plurality of rods by filling a glass tube with silica powder alone or a mixed powder of silica powder and doping powder and hot drawing, and stacking the obtained plurality of rods to form a preform. By manufacturing optical fibers by hot drawing them again after fabrication, segment cladding fibers that have a wide mode and are resistant to mechanical bending can be easily manufactured at low cost.
도 1은 세그먼트 클래딩 섬유를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예 따른 광섬유 제조 방법을 나타낸다.
도 3은 도 2의 로드 제조 단계의 상세 과정을 나타낸다.
도 4는 광섬유에 이용되는 파우더의 일 예를 나타낸다.
도 5는 도 2의 로드 제조 단계에서 제조된 로드의 일 예를 나타낸다.
도 6은 도 2의 프리폼 제작 단계에서 제작된 예비 프리폼의 일 예를 나타낸다.
도 7은 도 2의 프리폼 튜브 삽입 단계에서 삽입된 프리폼을 나타낸다.
도 8은 도 7의 튜브에 삽입된 프리폼의 단면을 나타낸다.
도 9는 실시예에 따라 제조된 광섬유의 단면을 나타낸다.
도 10은 도 9의 SCF의 단일 모드에서의 전기장 분포를 나타낸다.
도 11 및 도 12는 다른 실시예에 따라 제조된 광섬유를 나타낸다.Figure 1 is a diagram for explaining segment cladding fibers.
Figure 2 shows an optical fiber manufacturing method according to one embodiment.
Figure 3 shows a detailed process of the rod manufacturing step in Figure 2.
Figure 4 shows an example of powder used in optical fiber.
Figure 5 shows an example of a rod manufactured in the rod manufacturing step of Figure 2.
Figure 6 shows an example of a preliminary preform manufactured in the preform manufacturing step of Figure 2.
Figure 7 shows the preform inserted in the preform tube insertion step of Figure 2.
Figure 8 shows a cross section of the preform inserted into the tube of Figure 7.
Figure 9 shows a cross section of an optical fiber manufactured according to an example.
Figure 10 shows the electric field distribution in a single mode of the SCF of Figure 9.
11 and 12 show optical fibers manufactured according to another embodiment.
이하, 도면을 참조하여 일 실시예의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, specific embodiments of one embodiment will be described with reference to the drawings. The detailed description below is provided to provide a comprehensive understanding of the methods, devices and/or systems described herein. However, this is only an example and the present invention is not limited thereto.
일 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 일 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 일 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현"은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In describing one embodiment, if it is determined that a detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of an embodiment, the detailed description will be omitted. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification. The terminology used in the detailed description is intended to describe only one embodiment and should in no way be limiting. Unless explicitly stated otherwise, singular forms include plural meanings. In this description, expressions such as "comprising" or "having" are intended to indicate any features, numbers, steps, operations, elements, part or combination thereof, and one or more other than those described. It should not be construed to exclude the existence or possibility of other characteristics, numbers, steps, operations, elements, or parts or combinations thereof. In addition, "... part", "... period", " described in the specification. Terms such as “module” and “block” refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
도 1은 세그먼트 클래딩 섬유를 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a diagram for explaining segment cladding fibers.
도 1은 세그먼트 클래딩 섬유(Segment cladding fiber: 이하 SCF)의 일 예를 나타낸 것이다. SCF는 일반적인 광섬유와 마찬가지로 중심에 위치하고 고굴절률(high index)(n1)을 갖는 코어(14)와 코어(14)의 주위를 감싸는 클래딩(13)을 포함한다. 다만 도 1에 도시된 바와 같이, SCF에서 코어(14)의 주위를 감싸는 클래딩(13)은 방위각 방향으로 코어(14)와 마찬가지로 고굴절률(n1)을 갖는 제1 세그먼트(11)와 저굴절률(low index)(n2)을 갖는 제2 세그먼트(12)가 교대로 반복 배열된 구조를 갖는다. 즉 세그먼트 클래딩 섬유는 코어(14)를 중심으로 다수의 제1 세그먼트(11)와 제2 세그먼트(12)가 외부로 방사되는 패턴을 간는 방사형 구조로 구현된다.Figure 1 shows an example of a segment cladding fiber (SCF). Like a general optical fiber, the SCF includes a core 14 located at the center and having a high refractive index (n 1 ) and a cladding 13 surrounding the core 14. However, as shown in FIG. 1, the cladding 13 surrounding the core 14 in the SCF includes a first segment 11 having a high refractive index (n 1 ) and a low refractive index like the core 14 in the azimuthal direction. It has a structure in which second segments 12 having (low index) (n 2 ) are alternately and repeatedly arranged. That is, the segment cladding fiber is implemented in a radial structure in which a plurality of first segments 11 and second segments 12 radiate outwards around the core 14.
여기서는 SCF의 일 예로 각각 8개의 제1 세그먼트(11)와 제2 세그먼트(12)가 교대로 반복 배열되는 경우를 도시하였으나, 반복 배열되는 제1 세그먼트(11)와 제2 세그먼트(12)와 함께 개수는 4개, 6개 8개 등 다양하게 설정될 수 있다. 또한 SCF의 일 예로 제1 세그먼트(11)와 제2 세그먼트(12) 각각의 각도 범위(2θ1, 2θ2)가 동일하게 도시되어 있으나, 제1 세그먼트(11)와 제2 세그먼트(12)의 각도 범위(2θ1, 2θ2)는 서로 상이하게 설정될 수 있다.Here, as an example of SCF, eight first segments 11 and eight second segments 12 are alternately and repeatedly arranged, but together with the first and second segments 11 and 12 that are repeatedly arranged, The number can be set in various ways, such as 4, 6, or 8. In addition, as an example of SCF, the angular ranges (2θ 1 and 2θ 2 ) of the first segment 11 and the second segment 12 are shown to be the same, but the angle ranges (2θ 1 and 2θ 2 ) of the first segment 11 and the second segment 12 are shown as the same. The angle ranges 2θ 1 and 2θ 2 may be set differently.
이와 같은 구조를 갖는 SCF는 넓은 모드 영역 및 단일 모드 요구 사항을 동시에 충족할 수 있는 장점을 갖는 것으로 알려져 있다. SCF는 holely fiber 등과 같이 공기 홀의 배열을 필요하지 않아 길이 방향으로 긴 구조를 갖는 광섬유에서 중요한 길이 방향 균일성을 제공할 수 있다. 또한 기존의 광섬유의 굴절률 대비를 사용할 수 있으며, SCF의 색 분산 및 편광 특성을 실제 섬유 제조 공정 한계 내에서 용이하게 조정할 수 있다. 뿐만 아니라, SCF는 클래딩 구조에 의해 모든 고차 모드가 효과적으로 제거될 수 있는 누설 광섬유이므로 광 비선형성 문제에 효과적으로 대처하기 위해 모드 영역을 크게 유지하면서 확장된 파장 범위에 걸쳐 단일 모드 작동이 가능하다. SCF의 이러한 장점은 고출력 섬유 레이저, 광섬유 증폭기, 고밀도 파장 분할 다중화 광통신 시스템 및 중적외선 감지의 응용될 수 있다. 추가적으로 SCF는 완전 고체 섬유이므로 코어 클래딩 계면에서 기하학적으로 유도된 복굴절 및 산란 손실에 잠재적으로 덜 민감하다.SCF with this structure is known to have the advantage of being able to simultaneously meet wide mode area and single mode requirements. SCF does not require arrangement of air holes like holely fiber, so it can provide longitudinal uniformity, which is important in optical fibers with a long structure in the longitudinal direction. Additionally, the refractive index contrast of existing optical fibers can be used, and the chromatic dispersion and polarization properties of SCF can be easily adjusted within the limits of the actual fiber manufacturing process. Moreover, since SCF is a leaky optical fiber in which all higher-order modes can be effectively eliminated by the cladding structure, single-mode operation is possible over an extended wavelength range while maintaining a large mode area to effectively cope with optical nonlinearity problems. These advantages of SCF can be applied to high-power fiber lasers, optical fiber amplifiers, high-density wavelength division multiplexing optical communication systems, and mid-infrared sensing. Additionally, because SCF is a fully solid fiber, it is potentially less sensitive to geometrically induced birefringence and scattering losses at the core-cladding interface.
다만, SCF는 도 1에 도시된 바와 같이, 복잡한 단면 구조를 가져 제조가 용이하지 않다는 문제를 갖고 있다. 이와 같은 제조의 한계로 인해, SCF는 많은 장점에도 불구하고 활발하게 보급되지 못하고 있다. 따라서 복잡한 단면 구조를 갖는 SCF를 용이하게 제조할 수 있는 제조 기법이 요구되고 있다.However, as shown in FIG. 1, SCF has a complex cross-sectional structure and has a problem in that it is not easy to manufacture. Due to these manufacturing limitations, SCF is not actively distributed despite its many advantages. Therefore, there is a need for a manufacturing technique that can easily manufacture SCF with a complex cross-sectional structure.
도 2는 일 실시예 따른 광섬유 제조 방법을 나타내고, 도 3은 도 2의 로드 제조 단계의 상세 과정을 나타내며, 도 4는 광섬유에 이용되는 파우더의 일 예를 나타낸다. 그리고 도 5는 도 2의 로드 제조 단계에서 제조된 로드의 일 예를 나타낸다.Figure 2 shows a method of manufacturing an optical fiber according to an embodiment, Figure 3 shows a detailed process of the rod manufacturing step of Figure 2, and Figure 4 shows an example of powder used in an optical fiber. And Figure 5 shows an example of a rod manufactured in the rod manufacturing step of Figure 2.
우선 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 광섬유 제조 방법은 우선 다수의 로드(rod)(51)를 제조한다(21). 여기서 다수의 로드(rod)는 도 5에 도시된 바와 같이, 기지정된 직경(일 예로 1mm)과 길이(일 예로 300mm)를 가질 수 있다. 또한 다수의 로드(rod)(51)는 고굴절률을 갖는 제1 로드와 저굴절률을 갖는 제2 로드로 구분되어 제조될 수 있다. 이때 고굴절률을 갖는 제1 로드는 SCF의 코어(14) 또는 고굴절률의 제1 세그먼트(11)를 구성하는 요소로 이용될 수 있으며, 저굴절률을 갖는 제2 로드는 SCF의 저굴절률의 제2 세그먼트(12)를 구성하는 요소로 이용될 수 있다.First, referring to FIG. 2, the optical fiber manufacturing method according to this embodiment first manufactures a plurality of rods 51 (21). Here, as shown in FIG. 5, the plurality of rods may have a predetermined diameter (eg, 1 mm) and length (eg, 300 mm). Additionally, the plurality of rods 51 may be manufactured by dividing them into a first rod having a high refractive index and a second rod having a low refractive index. At this time, the first rod with a high refractive index may be used as an element constituting the core 14 of the SCF or the first segment 11 with a high refractive index, and the second rod with a low refractive index may be used as a second rod with a low refractive index of the SCF. It can be used as an element constituting the segment 12.
도 3을 참조하면, 구체적으로 로드를 제조하는 단계(21)는 먼저 로드(rod)(51)로 제조될 원 재료를 분쇄하여 파우더를 준비한다(31). 광섬유 제조를 위한 재료로는 기본적으로 고순도 실리카(SiO2)가 이용된다. 다만 고순도 실리카(SiO2)는 광섬유에서 저굴절률을 갖는 소재로서 제2 세그먼트(12)를 구현하기 위해 이용될 수 있으나, 고굴절률을 가져야 하는 제1 세그먼트(11)를 구현할 수 없다. 이에 고굴절률의 제1 세그먼트(11)를 구현하기 위해서는 불순물이 첨가되어 도핑되어야 한다. 고굴절률을 구현하기 위해 첨가되는 불순물은 다양한 공지되어 있으나, 여기서는 일 예로 알루미나(Al2O3)를 이용하는 것으로 가정한다. 따라서 실시예에서는 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 고순도 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)를 각각 분쇄하여 파우더를 준비한다.Referring to FIG. 3, specifically, in the step 21 of manufacturing a rod, the raw material to be manufactured into the rod 51 is first pulverized to prepare powder (31). High purity silica (SiO 2 ) is basically used as a material for manufacturing optical fibers. However, high-purity silica (SiO 2 ) is a material with a low refractive index in optical fibers and can be used to implement the second segment 12, but cannot implement the first segment 11, which must have a high refractive index. Accordingly, in order to implement the first segment 11 with a high refractive index, it must be doped by adding impurities. There are various known impurities added to achieve high refractive index, but here, as an example, it is assumed that alumina (Al 2 O 3 ) is used. Therefore, in the embodiment, as shown in Figures 4 (a) and (b), powder is prepared by pulverizing high-purity silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ), respectively.
그리고 고순도 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)를 분쇄한 파우더 분말이 준비되면, 고굴절률을 갖는 제1 로드를 구현하기 위해 실리카 파우더와 알루미나 파우더를 지정된 비율로 믹싱한다(32). 이때 실리카 파우더와 알루미나 파우더의 믹싱 비율은 요구되는 제1 로드의 굴절률에 따라 다양하게 조절될 수 있다.And when the powder obtained by grinding high-purity silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) is prepared, the silica powder and alumina powder are mixed at a specified ratio to create a first rod with a high refractive index (32). At this time, the mixing ratio of silica powder and alumina powder can be adjusted in various ways depending on the required refractive index of the first rod.
이때 저굴절률을 갖는 제2 로드는 실리카(SiO2)만으로 제조될 수 있으므로, 제2 로드를 제조하는 경우, 파우더 믹싱 과정은 생략될 수 있다.At this time, since the second rod having a low refractive index can be manufactured only from silica (SiO 2 ), when manufacturing the second rod, the powder mixing process can be omitted.
실리카 파우더 또는 실리카 파우더와 알루미나 파우더가 믹싱된 믹싱 파우더가 준비되면, 파우더를 가열하여 파우더의 수분을 제거한다(33). 이때 파우더는 일 예로 150℃ 오븐에서 1시간 동안 가열되어 수분이 제거될 수 있다. 경우에 따라서 수분이 제거된 파우더가 더 작고 균일한 크기의 입자가 되도록 분쇄 또는 밀링 공정을 추가할 수 있다.When silica powder or a mixing powder of silica powder and alumina powder is prepared, the powder is heated to remove moisture from the powder (33). At this time, the powder may be heated, for example, in an oven at 150°C for 1 hour to remove moisture. In some cases, a grinding or milling process may be added so that the powder from which moisture has been removed becomes smaller and more uniformly sized particles.
그리고 수분이 제거된 파우더를 실리카 튜브에 삽입하여 채운다(34). 이는 재료를 튜브에 삽입하여 요구되는 형상으로 제조하는 PIT(Powder-in-tube: PIT) 기법을 적용하기 위해서이다. 이때 고굴절률을 갖는 제1 로드를 제조하고자 하는 경우에는 믹싱 파우더를 실리카 튜브에 삽입하고, 저굴절률을 갖는 제2 로드를 제조하고자 하는 경우에는 실리카 파우더를 실리카 튜브에 삽입한다.Then, the powder from which moisture has been removed is inserted into the silica tube and filled (34). This is to apply the PIT (Powder-in-tube: PIT) technique, which inserts material into a tube and manufactures it into the required shape. At this time, when a first rod with a high refractive index is to be manufactured, mixing powder is inserted into the silica tube, and when a second rod with a low refractive index is to be manufactured, the silica powder is inserted into the silica tube.
여기서 실리카 튜브는 일 예로 17mm의 내경과 21mm의 외경을 가질 수 있으며, 길이는 삽입되는 파우더의 양에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 그리고 실리카 튜브는 로드를 제조하기 위해 이용되므로 이하에서는 로드 튜브라 한다.Here, for example, the silica tube may have an inner diameter of 17 mm and an outer diameter of 21 mm, and the length can be variously adjusted depending on the amount of powder to be inserted. And since silica tubes are used to manufacture rods, they are hereinafter referred to as rod tubes.
이후 로드 튜브에 삽입된 파우더를 1차 건조한다(35). 1차 건조 시에는 파우더가 삽입된 로드 튜브를 지정된 온도(예를 들면 1100℃)로 가열하여 건조시킬 수 있다. 1차 건조 이후, 헬륨 가스를 주입하고 지정된 온도(예를 들면 1700℃) 가열하여 로드 튜브에 삽입된 파우더를 2차 건조한다(36). 여기서 1차 건조와 2차 건조 온도(1100℃, 1700℃)는 파우더 및 로드 튜브의 재결정온도보다 낮아야 한다. 즉 파우더 및 로드 튜브가 용융되지 않아야 한다. 그리고 1차 건조와 2차 건조 사이에 헬륨 가스를 주입하는 것은 로드 튜브 내부에 잔존하는 여분의 공기가 완전 배출되도록 하여, 제조된 로드(51)에 기포가 발생되지 않도록 하기 위함이다.Afterwards, the powder inserted into the load tube is first dried (35). During primary drying, the rod tube into which the powder is inserted can be dried by heating it to a specified temperature (for example, 1100°C). After primary drying, helium gas is injected and heated to a specified temperature (e.g., 1700°C) to secondary dry the powder inserted into the rod tube (36). Here, the first and second drying temperatures (1100°C, 1700°C) must be lower than the recrystallization temperature of the powder and rod tube. That is, the powder and rod tube must not melt. In addition, helium gas is injected between the first drying and the second drying to ensure that the excess air remaining inside the rod tube is completely discharged and to prevent air bubbles from being generated in the manufactured rod 51.
2차 건조까지 수행되어 로드 튜브 내에 수분과 공기가 제거되면, 로드 튜브와 파우더의 재결정 온도 이상 온도(예를 들면 2050℃)로 가열하면서 인발(drawing)함으로써, 용융된 파우더와 로드 튜브가 인장되어 지정된 직경(여기서는 1mm)을 갖는 로드를 획득한다(37). 즉 PIT 기법에 따라 파우더가 삽입된 로드 튜브 전체를 열간 인발(Hot-drawing) 기법으로 인발하여 로드를 획득한다. 건조 및 인발 공정은 고온이 요구되므로 퍼니스(furnace)에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.When secondary drying is performed and moisture and air are removed from the rod tube, the melted powder and rod tube are stretched by drawing while heating to a temperature above the recrystallization temperature of the rod tube and powder (for example, 2050°C). Obtain a rod with a specified diameter (here 1 mm) (37). That is, according to the PIT technique, the entire rod tube into which the powder is inserted is drawn using a hot-drawing technique to obtain the rod. Since the drying and drawing process requires high temperature, it can be performed in a furnace, but is not limited to this.
로드 튜브가 내부에 삽입된 파우더와 기본적으로 동일한 소재인 실리카(SiO2) 소재로 구현되고, 실리카(SiO2) 소재 자체가 광섬유의 재료로 이용되므로, 실시예에서는 로드 튜브 내부에 삽입되어 용융된 파우더만을 인발하는 것이 아니라 파우더가 삽입된 로드 튜브 전체를 인발하여 로드를 획득한다.Since the rod tube is made of silica (SiO 2 ) material, which is basically the same material as the powder inserted inside, and the silica (SiO 2 ) material itself is used as a material for optical fiber, in the embodiment, it is inserted inside the rod tube and melted. Rather than drawing only the powder, the rod is obtained by drawing the entire rod tube into which the powder is inserted.
다만 인발되어 획득된 로드의 길이는 서로 상이할 수 있으므로, 획득된 로드를 지정된 길이(300mm) 단위로 절단한다(38).However, since the lengths of the rods obtained by drawing may be different from each other, the obtained rods are cut in units of designated lengths (300 mm) (38).
이와 같이 실시예에서 다수의 로드(51) 각각은 로드 튜브에 실리카 파우더 또는 실리카 파우더와 도핑 소재인 알루미나 파우더가 믹싱된 믹싱 파우더를 삽입하고, 이를 재결정 온도 이상의 온도로 가열 및 인발하여 지정된 크기로 절단함으로써 획득될 수 있다.In this embodiment, each of the plurality of rods 51 inserts silica powder or a mixing powder mixed with silica powder and alumina powder as a doping material into the rod tube, heats and draws it to a temperature above the recrystallization temperature, and cuts it into a specified size. It can be obtained by doing this.
여기서 획득된 다수의 로드 중 실리카 파우더와 알루미나 파우더가 믹싱된 믹싱 파우더가 로드 튜브 내부에 채워져 제조된 제1 로드는 로드 튜브와 튜브내 파우더의 소재에 차이가 있다. 그러나 실리카 파우더만으로 로드 튜브 내부가 채워져 제조된 제2 로드의 경우는 동일 소재의 재료가 재결정 온도 이상의 온도에서 용융되어 제조됨에 따라 실질적으로 로드 튜브와 내부에 채워진 파우더가 융합되어 경계가 사라지게 된다.Among the plurality of rods obtained here, the first rod manufactured by filling the inside of the rod tube with a mixing powder of silica powder and alumina powder is different in the materials of the rod tube and the powder in the tube. However, in the case of the second rod manufactured by filling the inside of the rod tube with only silica powder, as the same material is melted and manufactured at a temperature above the recrystallization temperature, the rod tube and the powder filled inside are substantially fused and the boundary disappears.
도 3의 방법에 따라 고굴절률을 갖는 다수의 제1 로드와 저굴절률을 갖는 다수의 제2 로드가 획득되면, 다수의 제1 로드와 다수의 제2 로드를 미리 설계된 SCF의 단면 구조에 따라 배열된 예비 프리폼(65)을 제작한다(22).When a plurality of first rods having a high refractive index and a plurality of second rods having a low refractive index are obtained according to the method of FIG. 3, the plurality of first rods and the plurality of second rods are arranged according to the cross-sectional structure of the pre-designed SCF. A preliminary preform (65) is manufactured (22).
프리폼 제작 단계에서는 우선 SCF의 단면 구조에 따라 다수의 제1 로드와 다수의 제2 로드를 스택하고, 스택된 제1 및 제2 로드를 가열하여 결합함으로써 예비 프리폼 제작한다(23). 이때 SCF의 단면 구조에 따른 예비 프리폼(65)의 코어(64)와 클래딩의 세그먼트의 형상 및 구조는 요구되는 광섬유의 특성에 따라 유한 요소법(finite element method: FEM) 등을 이용하여 미리 결정될 수 있으며, 결정된 코어(64)와 클래딩의 세그먼트의 형상 및 구조에 따라 제1 및 제2 로드가 스택될 수 있다. 즉 고굴절률 영역과 저굴절률 영역이 구분된 광섬유의 단면 구조에 따라 고굴절률을 갖는 다수의 제1 로드 및 저굴절률을 갖는 다수의 제2 로드를 스택하고 가열하여 예비 프리폼을 획득한다.In the preform manufacturing step, a plurality of first rods and a plurality of second rods are first stacked according to the cross-sectional structure of the SCF, and the stacked first and second rods are heated and combined to produce a preliminary preform (23). At this time, the shape and structure of the core 64 of the preliminary preform 65 and the segment of the cladding according to the cross-sectional structure of the SCF can be determined in advance using a finite element method (FEM), etc., depending on the characteristics of the required optical fiber. , the first and second rods may be stacked according to the determined shape and structure of the segments of the core 64 and cladding. That is, according to the cross-sectional structure of the optical fiber divided into a high refractive index region and a low refractive index region, a plurality of first rods with a high refractive index and a plurality of second rods with a low refractive index are stacked and heated to obtain a preliminary preform.
이때 예비 프리폼 제작은 유리 작업 선반에서 수행될 수 있으며, 로드간 결합은 산소 프로판 버너 등을 이용하여 재결정 온도 이상의 온도(예를 들면 2200℃)로 전체 또는 부분 가열하여 수행될 수 있다.At this time, the preliminary preform production can be performed on a glass work lathe, and the bonding between rods can be performed by fully or partially heating to a temperature above the recrystallization temperature (for example, 2200°C) using an oxygen propane burner or the like.
예비 프리폼은 다수의 제1 로드와 다수의 제2 로드 각각을 스택할 때마다 가열하여 개별 로드 각각을 순차적으로 결합하여 제작될 수도 있으나, 다수의 제1 로드와 다수의 제2 로드를 모두 스택한 후 가열하여 한 번에 결합하여 제작될 수도 있다.The preliminary preform may be manufactured by sequentially combining the individual rods by heating each of the plurality of first rods and the plurality of second rods each time they are stacked, but the plurality of first rods and the plurality of second rods are stacked. It can also be manufactured by heating and combining them all at once.
도 6은 도 2의 프리폼 제작 단계에서 제작된 예비 프리폼의 일 예를 나타낸다.Figure 6 shows an example of a preliminary preform manufactured in the preform manufacturing step of Figure 2.
본 실시예에서는 다수의 로드(51)를 우선 제조하고 제조된 다수의 로드(51)를 단순하게 스택하고 가열하여 예비 프리폼(65)을 제작하므로, 예비 프리폼(65)을 매우 자유로운 형태로 용이하게 구성할 수 있다. 이는 광섬유의 단면이 임의의 어떠한 구조를 가질지라도 다수의 로드(51)를 해당 단면 구조에 따라 스택함으로써 요구되는 단면 구조를 구현할 수 있음을 의미한다. 그러므로, 도 6에 도시된 바와 같이, 복잡한 단면 구조를 갖는 SCF를 위한 예비 프리폼(65)을 매우 용이하게 제작할 수 있다. 즉 코어(64)의 형태와 크기뿐만 아니라, 클래딩을 구성하는 제1 및 제2 세그먼트의 형상과 개수 및 크기를 자유롭게 조절할 수 있으며, 클래딩에 제1 및 제2 세그먼트 이외의 구성을 추가할 수도 있다. 예로서 코어(64)와 제1 및 제2 세그먼트 사이에 저굴절률 요소나 고굴절률 요소를 더 추가할 수도 있다.In this embodiment, a plurality of rods 51 are first manufactured and the preliminary preform 65 is manufactured by simply stacking and heating the manufactured plurality of rods 51, so that the preliminary preform 65 can be easily formed in a very free form. It can be configured. This means that even if the cross-section of the optical fiber has any structure, the required cross-sectional structure can be realized by stacking a plurality of rods 51 according to the cross-sectional structure. Therefore, as shown in FIG. 6, the preliminary preform 65 for SCF with a complex cross-sectional structure can be manufactured very easily. That is, not only the shape and size of the core 64, but also the shape, number, and size of the first and second segments constituting the cladding can be freely adjusted, and components other than the first and second segments can be added to the cladding. . For example, a low refractive index element or a high refractive index element may be added between the core 64 and the first and second segments.
여기서는 일 예로 고굴절률의 다수의 제1 로드(61)가 6각형 형상으로 스택되어 코어(64)를 구성하고, 클래딩의 제1 세그먼트는 코어(64)와 동일한 다수의 제1 로드(61)가 6각형상의 코어(64)의 각 모서리에서 방사되는 형상으로 스택되어 구현되며, 제2 세그먼트는 저굴절률의 다수의 제2 로드(62)가 6각형상의 코어(64)의 각 모서리에서 방사되는 형상으로 스택되어 구현됨으로써 SCF를 위한 예비 프리폼이 제작되는 것으로 가정하였다. 그러나 SCF를 위한 예비 프리폼(65)에서 코어(64)와 클래딩의 세그먼트의 형상 및 구조는 설계에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 이와 같이 코어(64)와 클래딩의 세그먼트의 형상 및 구조가 다양하게 변형될 지라도 실시예에 따르면, 다수의 제1 및 제2 로드(61, 62)가 스택되는 배치 구조만 변형하여 용이하게 예비 프리폼(65)을 제작할 수 있다.Here, as an example, a plurality of first rods 61 of high refractive index are stacked in a hexagonal shape to form the core 64, and the first segment of the cladding has a plurality of first rods 61 identical to the core 64. It is implemented by stacking in a shape that radiates from each corner of the hexagonal core 64, and the second segment has a shape in which a plurality of second rods 62 of low refractive index radiate from each corner of the hexagonal core 64. It was assumed that a preliminary preform for the SCF was produced by being stacked and implemented. However, the shape and structure of the core 64 and the cladding segments in the preliminary preform 65 for SCF can be adjusted in various ways depending on the design. Although the shape and structure of the core 64 and the cladding segments are modified in various ways, according to the embodiment, only the arrangement structure in which the plurality of first and second rods 61 and 62 are stacked is modified to easily form a preliminary preform. (65) can be produced.
도 6에서와 같이 SCF를 위한 예비 프리폼(65)이 제작되면, 예비 프리폼(65)을 실리카 튜브(66)에 삽입하여 최종 프리폼을 획득한다(24).As shown in FIG. 6, when the preliminary preform 65 for SCF is manufactured, the preliminary preform 65 is inserted into the silica tube 66 to obtain the final preform (24).
도 7은 도 2의 프리폼 튜브 삽입 단계에서 삽입된 예비 프리폼을 나타내고, 도 8은 도 7의 튜브에 삽입된 예비 프리폼의 단면을 나타낸다.Figure 7 shows a preliminary preform inserted in the preform tube insertion step of Figure 2, and Figure 8 shows a cross section of the preliminary preform inserted into the tube of Figure 7.
실리카 튜브(66)는 로드 제조시에 이용되는 로드 튜브와 동일한 소재로 구현된 튜브이지만, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제작된 예비 프리폼(65)의 직경에 대응하는 내경을 가질 수 있다. 도 8을 참조하면, 예비 프리폼(65)에서 최대 직경 방향으로 17개의 로드가 배열되었으며, 각 로드가 1mm 의 직경을 갖는다고 하였으므로, 실리카 튜브(66)의 내경은 17mm 이상(여기서는 일 예로 19mm) 수 있으며, 외경은 25mm 일 수 있다. 이때 예비 프리폼(65)에서 코어(64)의 직경은 5mm이다.The silica tube 66 is a tube made of the same material as the rod tube used in rod manufacturing, but as shown in FIGS. 7 and 8, it may have an inner diameter corresponding to the diameter of the manufactured preliminary preform 65. there is. Referring to FIG. 8, 17 rods are arranged in the maximum diameter direction in the preliminary preform 65, and since each rod has a diameter of 1 mm, the inner diameter of the silica tube 66 is 17 mm or more (here, 19 mm as an example). The outer diameter may be 25mm. At this time, the diameter of the core 64 in the preliminary preform 65 is 5 mm.
그리고 실리카 튜브(66)는 도 7에 도시된 바와 같이, 예비 프리폼(65)이 삽입되는 일단은 개방된 반면, 타단은 폐쇄된 형태를 가질 수 있다. 이하에서는 로드 제조시에 이용되는 로드 튜브와 예비 프리폼(65)이 삽입되는 실리카 튜브(66)를 구분하기 위해, 예비 프리폼(65)이 삽입되는 실리카 튜브(66)를 프리폼 튜브라 한다. 여기서는 예비 프리폼(65)이 삽입된 프리폼 튜브(66)를 최종 프리폼이라 한다.As shown in FIG. 7, the silica tube 66 may have an open end at which the preliminary preform 65 is inserted, while the other end may be closed. Hereinafter, in order to distinguish between the rod tube used in rod manufacturing and the silica tube 66 into which the preliminary preform 65 is inserted, the silica tube 66 into which the preliminary preform 65 is inserted is referred to as a preform tube. Here, the preform tube 66 into which the preliminary preform 65 is inserted is called the final preform.
예비 프리폼(65)이 프리폼 튜브(66)에 삽입되어 최종 프리폼이 획득되면, SCF를 제조한다(25). SCF를 제조하는 단계에서는 우선 제작된 예비 프리폼(65)이 프리폼 튜브(66)에 삽입된 최종 프리폼을 재결정 온도 이상의 온도(2200℃)로 가열한다(26). 그리고 로드(51)를 획득하는 과정과 마찬가지로, 가열된 최종 프리폼을 인발하여 SCF를 획득한다(27). 이때 예비 프리폼(65)은 프리폼 튜브(66)와 함께 인발된다.When the preliminary preform 65 is inserted into the preform tube 66 and the final preform is obtained, the SCF is manufactured (25). In the step of manufacturing the SCF, the final preform, in which the manufactured preliminary preform 65 is inserted into the preform tube 66, is heated to a temperature (2200° C.) above the recrystallization temperature (26). And, similar to the process of obtaining the rod 51, the final heated preform is drawn to obtain the SCF (27). At this time, the preliminary preform 65 is pulled out together with the preform tube 66.
도 9는 실시예에 따라 제조된 광섬유의 단면을 나타낸다.Figure 9 shows a cross section of an optical fiber manufactured according to an example.
가열된 예비 프리폼(65)과 프리폼 튜브(66)가 함께 인발되어 SCF가 획득되면, SCF의 단면은 도 9에 도시된 바와 같이, 스택되어 예비 프리폼(65)을 구성하는 다수의 제1 로드 및 다수의 제2 로드의 배열 구조가 거의 그대로 유지하면서 전체적으로 직경이 매우 작아진 형태를 갖게 된다.When the heated preliminary preform 65 and the preform tube 66 are drawn together to obtain an SCF, the cross section of the SCF is stacked, as shown in FIG. 9, and consists of a plurality of first rods and While the arrangement structure of the plurality of second rods remains almost the same, the overall diameter becomes very small.
도 9에서 (a)는 SCF의 단면에 스택된 다수의 제1 및 제2 로드의 배치 구조가 유지되고 있음을 설명하기 위한 도면이다. 그러나 상기한 바와 같이, 프리폼 튜브(96)와 제2 로드(92)뿐만 아니라, 제1 로드(91)의 외주면을 형성한 로드 튜브 또한 실리카만으로 구성되어 있다. 따라서 최종 프리폼이 재결정 온도 이상으로 가열되면, 프리폼 튜브(96)와 제2 로드(92) 및 제1 로드(91)의 외주면이 용융 및 융합되며, 이에 실제 SCF는 도 9의 (b)와 같은 구조로 획득될 수 있다.In FIG. 9, (a) is a diagram to explain that the arrangement structure of the plurality of first and second rods stacked on the cross section of the SCF is maintained. However, as described above, not only the preform tube 96 and the second rod 92, but also the rod tube forming the outer peripheral surface of the first rod 91 is composed of only silica. Therefore, when the final preform is heated above the recrystallization temperature, the outer peripheral surfaces of the preform tube 96, the second rod 92, and the first rod 91 are melted and fused, and the actual SCF is as shown in (b) of Figure 9. It can be obtained through structure.
인발된 SCF의 직경은 다양하게 결정될 수 있으며, 여기서는 일 예로 138㎛인 것으로 가정한다. 25mm의 직경을 갖는 최종 프리폼이 인발되어 138㎛의 직경을 갖는 SCF으로 획득되므로, SCF는 수백m 이상의 길이로 획득될 수 있다. 이때 코어의 직경은 대략 20㎛이다.The diameter of the drawn SCF can be determined in various ways, and is assumed to be 138 ㎛ as an example. Since the final preform with a diameter of 25 mm is drawn to obtain an SCF with a diameter of 138 μm, the SCF can be obtained with a length of hundreds of meters or more. At this time, the diameter of the core is approximately 20㎛.
도 10은 도 9의 SCF의 단일 모드에서의 전기장 분포를 나타낸다.Figure 10 shows the electric field distribution in a single mode of the SCF of Figure 9.
도 10에서 (a)와 (b)는 각각 파장(λ)이 1㎛인 경우와 1.55㎛인 광에 대한 단일 모드에서의 모드 세기, 즉 전기장 분포를 나타내고, (c)는 X축 방향 및 대각선 방향의 모드 세기를 그래프로 나타낸 결과를 나타낸다. (c)에서는 고굴절률을 갖는 제1 세그먼트 방향의 모드 세기를 실선으로 표시하였고, 저굴절률을 갖는 제2 세그먼트 방향의 모드 세기를 점선으로 표현하였다. 도 10의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예로 제조된 SCF에서 모드 세기는 고굴절률을 갖는 제1 세그먼트에 의해 클래딩으로 거의 확산되지 않고, 코어에 집중되어 있음을 알 수 있다. 그리고 (c)의 모드 세기 분포를 살펴보면, 광이 저굴절률을 갖는 제2 세그먼트보다 고굴절률을 갖는 제1 세그먼트에 의해 포획된다. 따라서 실시예에 따라 구현된 SCF는 단일 모드로 동작할 수 있다. 실험에 따르면 실시예의 SCF는 1㎛ ~ 1.7㎛ 파장 범위에서 단일 모드로 동작할 수 있음이 확인되었다. 그리고 1.55㎛의 파장에서 LP11 및 LP01 모드의 구속 손실은 16.8dB/m 및 0.49dB/m로 나타났다. 따라서 1.23m 길이의 SCF에서 LP11는 20dB의 소광비로 감쇠될 수 있다. 또한 SCF의 유효 모드 면적은 파장(λ)이 1㎛, 1.55㎛ 및 1.7㎛ 인 경우에 각각 150㎛2, 231㎛2 및 260㎛2 인 것으로 확인되었다. 즉 코어가 고굴절률을 가짐에도 넓은 유효 모드 면적을 가질 수 있다.In Figure 10, (a) and (b) show the mode intensity, that is, the electric field distribution, in a single mode for light with a wavelength (λ) of 1 ㎛ and 1.55 ㎛, respectively, and (c) shows the X-axis direction and diagonal Shows the results of a graph showing the mode intensity in each direction. In (c), the mode intensity in the direction of the first segment having a high refractive index is expressed as a solid line, and the mode intensity in the direction of the second segment having a low refractive index is expressed as a dotted line. As shown in Figures 10 (a) and (b), it can be seen that in the SCF manufactured in this example, the mode intensity is hardly diffused to the cladding by the first segment with a high refractive index, but is concentrated in the core. You can. And looking at the mode intensity distribution in (c), light is captured by the first segment with a high refractive index rather than the second segment with a low refractive index. Therefore, the SCF implemented according to the embodiment may operate in a single mode. According to experiments, it was confirmed that the SCF of the example can operate in a single mode in the wavelength range of 1㎛ to 1.7㎛. And at a wavelength of 1.55㎛, the confinement loss of LP11 and LP01 modes was found to be 16.8dB/m and 0.49dB/m. Therefore, in a 1.23m long SCF, LP11 can be attenuated with an extinction ratio of 20dB. Additionally, the effective mode area of SCF was confirmed to be 150㎛ 2 , 231 ㎛ 2 , and 260 ㎛ 2 when the wavelength (λ) was 1 ㎛, 1.55 ㎛, and 1.7 ㎛, respectively. That is, even though the core has a high refractive index, it can have a large effective mode area.
도 11 및 도 12는 다른 실시예에 따라 제조된 광섬유를 나타낸다.11 and 12 show optical fibers manufactured according to another embodiment.
상기에서는 SCF의 예비 프리폼(65)을 제작하기 위해 모두 동일한 직경을 갖는 다수의 로드(51)를 스택하는 것으로 설명하였다. 이와 같이, 다수의 로드(51)가 모두 동일한 직경을 갖는 경우, 다수의 로드(51)를 단지 고굴절률 로드(61)와 저굴절률 로드(62)로만 구분하여 스택하면 된다. 그러나 도 9에 도시된 바와 같이 SCF에서 각 로드는 셀 형상을 구성하는 것으로 볼 수 있으며, 예비 프리폼(65)의 전체 직경에 대비한 로드(61)의 상대적 직경이 큰 경우, 셀 크기가 상대적으로 크기 때문에, 세그먼트 형상을 정밀하게 조절할 수 없다. 또한 분할된 코어가 다수의 고굴절률 로드(61)로 구현된다. 이로 인해 적으나마 단일 모드 손실이 발생하고, 유효 모드 면적의 방향에 따라 상이하게 나타날 수 있다.In the above, it was explained that in order to manufacture the preliminary preform 65 of the SCF, a plurality of rods 51 all having the same diameter are stacked. In this way, when the plurality of rods 51 all have the same diameter, the plurality of rods 51 need only be stacked by dividing them into the high refractive index rod 61 and the low refractive index rod 62. However, as shown in Figure 9, each rod in the SCF can be viewed as configuring a cell shape, and when the relative diameter of the rod 61 is large compared to the overall diameter of the preliminary preform 65, the cell size is relatively large. Because of their size, the segment shape cannot be precisely controlled. Additionally, the divided core is implemented with a plurality of high refractive index rods (61). This causes a small amount of single mode loss, which may appear differently depending on the direction of the effective mode area.
이에 도 11 및 도 12에서는 서로 다른 직경을 갖는 다수의 고굴절률 로드와 다수의 저굴절률 로드를 획득하고, 획득된 서로 다른 직경을 갖는 다수의 고굴절률 로드와 다수의 저굴절률 로드를 스택하여 획득한 SCF를 나타낸다.Accordingly, in Figures 11 and 12, a plurality of high refractive index rods and a plurality of low refractive index rods having different diameters are obtained, and a plurality of high refractive index rods and a plurality of low refractive index rods having different diameters are stacked. It represents SCF.
도 11 및 도 12의 SCF에서는 우선 가장 큰 직경을 갖는 코어 로드(114, 124)를 중앙에 배치하고, 코어 로드(114, 124)로부터 외부로 방사되는 패턴으로 다수의 고굴절률 로드(111, 121)와 다수의 저굴절률 로드(112, 122)를 스택한다. 이때, 다수의 고굴절률 로드(111, 121)와 다수의 저굴절률 로드(112, 122)는 코어 로드(114, 124)에 인접할수록 작은 직경을 갖고, 이격될수록 큰 직경을 갖는 로드가 배치되도록 함으로써, 각 세그먼트의 범위가 정확하게 유지되면서, 코어 로드(114, 124)로부터의 거리가 상이하여도 동일한 개수의 로드가 배치되도록 하여 일관성이 유지되도록 하였다.In the SCF of FIGS. 11 and 12, the core rods 114 and 124 having the largest diameter are first placed in the center, and a plurality of high refractive index rods 111 and 121 are formed in a pattern radiating outward from the core rods 114 and 124. ) and stack a plurality of low refractive index rods 112 and 122. At this time, the plurality of high refractive index rods 111, 121 and the plurality of low refractive index rods 112, 122 are arranged so that the closer they are to the core rods 114, 124, the smaller the diameter is, and the more spaced apart the rods are, the larger the diameter. , the range of each segment is accurately maintained, and the same number of rods are arranged even if the distance from the core rods 114 and 124 is different, thereby maintaining consistency.
이와 같은 배치구조를 갖도록 로드가 스택되어 제조된 SCF는 도 9의 SCF에 비해 기계적 굽힘에 더욱 둔감하고 구부러진 상태에서 단일 모드 손실이 더 낮을 뿐만 아니라 모든 방향에서 넓은 유효 모드 면적을 가질 수 있다.An SCF manufactured by stacking rods with this arrangement structure is more insensitive to mechanical bending than the SCF of FIG. 9, has lower single mode loss in a bent state, and can have a large effective mode area in all directions.
또한 도 9 및 도 11의 SCF에서는 고굴절률 로드(61, 111)와 저굴절률 로드(62, 112)를 모두 동일하게 PIT 기법에 따라 로드 튜브에 파우더를 삽입하여 제조하였다. 그러나 로드 튜브는 상기한 바와 같이, 저굴절률 로드(62, 112)를 제조하기 위한 파우더와 동일한 실리카 소재로 구현된 튜브이다. 따라서 도 9 및 도 11의 SCF에서는 스택된 고굴절률 로드(61, 111)가 저굴절률 소재를 사이에 두고 결합되는 구조로 구현된다. 이에 도 12의 SCF에서는 실리카와 알루미나가 믹스된 믹스 파우더를 고굴절률을 갖는 로드 튜브에 삽입하여 고굴절률 로드(121)를 제조한다. 이때 고굴절률 로드 튜브는 믹스 파우더보다 더 높은 굴절률을 가질 수 있다. 이와 같이 고굴절률의 로드 튜브를 이용하여 고굴절률을 갖는 로드를 제조하는 경우, 광이 더욱 용이하게 고굴절률을 갖는 제1 세그먼트에 의해 포획되어 넓은 유효 모드 면적을 갖고 기계적 굽힘에 강건할 수 있다.In addition, in the SCF of FIGS. 9 and 11, both the high refractive index rods 61 and 111 and the low refractive index rods 62 and 112 were manufactured by inserting powder into the rod tube according to the PIT technique. However, as described above, the rod tube is a tube made of the same silica material as the powder for manufacturing the low refractive index rods 62 and 112. Therefore, in the SCF of FIGS. 9 and 11, the stacked high refractive index rods 61 and 111 are implemented with a structure in which a low refractive index material is interposed. Accordingly, in the SCF of FIG. 12, a high refractive index rod 121 is manufactured by inserting a mixed powder of silica and alumina into a rod tube having a high refractive index. At this time, the high refractive index rod tube may have a higher refractive index than the mixed powder. In this way, when manufacturing a rod with a high refractive index using a rod tube with a high refractive index, light is more easily captured by the first segment with a high refractive index, so that it can have a large effective mode area and be robust against mechanical bending.
상기에서는 설명의 편의를 위하여 제1 로드와 제2 로드가 각각 고굴절률과 저굴절률을 갖는 것으로 설명하였으나, 이는 상대적인 굴절률 차이를 표현하기 위한 것으로 고굴절률은 제1 굴절률이라하고 저굴절률은 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률이라고 할 수 있다.In the above, for convenience of explanation, the first rod and the second rod were described as having a high refractive index and a low refractive index, respectively. However, this is to express the relative difference in refractive index. The high refractive index is called the first refractive index, and the low refractive index is called the first refractive index. It can be said to be a lower second refractive index.
도 2 및 도 3에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 2 및 도에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능하다.In Figures 2 and 3, each process is described as being sequentially executed, but this is only an illustrative explanation, and those skilled in the art can perform the procedures described in Figures 2 and 3 without departing from the essential characteristics of the embodiments of the present invention. It can be modified and modified in various ways by executing by changing the order, executing one or more processes in parallel, or adding other processes.
그리고 도 2에 도시된 광섬유 제조 방법은 컴퓨팅 장치를 포함하는 컴퓨팅 환경에서 수행될 수 있으며, 적어도 하나의 프로세서 및 컴퓨터 판독 가능 저장매체를 포함하여 구현되는 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다.The optical fiber manufacturing method shown in FIG. 2 may be performed in a computing environment including a computing device, and may include a computing device implemented including at least one processor and a computer-readable storage medium.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those skilled in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached claims.
11: 제1 세그먼트
12: 제2 세그먼트
13: 클래딩
14, 64: 코어
51: 로드
61: 고굴절률 로드
62: 저굴절률 로드
65: 예비 프리폼
66: 프리폼 튜브
114, 124: 코어 로드
126: 고굴절률 로드 튜브11: first segment 12: second segment
13: Cladding 14, 64: Core
51: Rod 61: High refractive index rod
62: low refractive index rod 65: preliminary preform
66: preform tube 114, 124: core rod
126: High refractive index rod tube
Claims (20)
상기 다수의 로드 중 제1 굴절률을 갖는 다수의 제1 로드와 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 갖는 다수의 제2 로드를 제1 굴절률 영역과 제2 굴절률 영역이 구분된 광섬유의 단면 구조에 따라 스택하여 예비 프리폼을 제작하는 단계;
상기 예비 프리폼을 프리폼 튜브에 삽입하여 최종 프리폼을 획득하는 단계; 및
상기 최종 프리폼을 가열 및 인발하여 광섬유를 획득하는 단계를 포함하는 광섬유의 제조 방법.manufacturing a plurality of rods;
Among the plurality of rods, a plurality of first rods having a first refractive index and a plurality of second rods having a second refractive index lower than the first refractive index are formed according to the cross-sectional structure of the optical fiber in which the first refractive index region and the second refractive index region are divided. Stacking to produce a preliminary preform;
Obtaining a final preform by inserting the preliminary preform into a preform tube; and
A method of manufacturing an optical fiber comprising the step of heating and drawing the final preform to obtain an optical fiber.
상기 다수의 제1 로드와 상기 제2 로드를 상기 광섬유의 단면 구조에 따라 배치하면서 재결정 온도 이상으로 가열하여 결합하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the step of manufacturing the preliminary preform is
A method of manufacturing an optical fiber in which the plurality of first rods and the second rods are arranged according to the cross-sectional structure of the optical fiber and heated to a recrystallization temperature or higher to combine them.
단면 상에서 중앙에 위치하는 제1 굴절률의 코어와 상기 코어 주변으로 방위각 방향으로 제1 굴절률을 갖는 다수의 제1 세그먼트와 제2 굴절률을 갖는 다수의 제2 세그먼트가 교대로 반복 배열된 구조의 클래딩을 갖는 세그먼트 클래딩 섬유(이하 SCF)로 구현되는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 2, wherein the optical fiber
A cladding structure in which a core of a first refractive index located at the center in the cross-section and a plurality of first segments with a first refractive index and a plurality of second segments with a second refractive index are alternately arranged in an azimuthal direction around the core. A method of manufacturing an optical fiber implemented as a segmented cladding fiber (hereinafter referred to as SCF).
상기 다수의 로드가 동일한 직경과 길이를 갖도록 제조하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 3, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
A method of manufacturing an optical fiber wherein the plurality of rods are manufactured to have the same diameter and length.
상기 다수의 제1 로드를 상기 코어의 크기 및 형상에 따라 스택하고, 상기 다수의 제1 로드와 상기 다수의 제2 로드를 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트의 크기 및 형상에 따라 스택하여 상기 예비 프리폼을 획득하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 4, wherein the step of manufacturing the preliminary preform is
The plurality of first rods are stacked according to the size and shape of the core, and the plurality of first rods and the plurality of second rods are stacked according to the size and shape of the first segment and the second segment. Method for manufacturing optical fibers obtaining a preliminary preform.
서로 다른 직경으로 구현된 상기 다수의 로드 중 가장 큰 직경을 갖는 제1 로드를 코어 로드로서 중심에 배치되고, 상기 코어 로드의 주위에 상기 다수의 제1 로드 및 제2 로드를 직경에 따라 배치하여 상기 클래딩을 구현하되, 작은 직경을 갖는 로드를 상기 코어에 인접하여 배치하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 3, wherein the step of manufacturing the preliminary preform is
Among the plurality of rods implemented with different diameters, a first rod having the largest diameter is disposed at the center as a core rod, and the plurality of first rods and second rods are arranged according to diameter around the core rod. A method of manufacturing an optical fiber that implements the cladding and disposes a rod having a small diameter adjacent to the core.
로드 튜브에 상기 제2 로드를 구현하기 위한 실리카 파우더 또는 상기 제1 로드를 구현하기 위한 실리카 파우더와 불순물을 혼합한 믹스 파우더를 삽입하고, 실리카 파우더 또는 믹스 파우더가 삽입된 로드 튜브를 가열 및 인발하여 상기 다수의 로드를 획득하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 1, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
Silica powder for implementing the second rod or a mix powder mixed with silica powder for implementing the first rod and impurities is inserted into the rod tube, and the rod tube into which the silica powder or mix powder is inserted is heated and drawn. A method of manufacturing an optical fiber obtaining the plurality of rods.
실리카 파우더 또는 믹스 파우더가 삽입된 로드 튜브를 재결정 온도 이상의 온도로 가열하면서 인발하여 로드를 획득하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
A method of manufacturing an optical fiber in which a rod is obtained by drawing a rod tube into which silica powder or mixed powder is inserted while heating it to a temperature above the recrystallization temperature.
재결정 온도 이하의 온도로 1차 및 2차 가열하여 건조시킨 후, 재결정 온도 이상의 온도로 가열 및 인발하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 8, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
A method of manufacturing an optical fiber that involves primary and secondary heating and drying at a temperature below the recrystallization temperature, followed by heating and drawing at a temperature above the recrystallization temperature.
상기 로드 내에 기포가 발생되지 않도록 상기 1차 가열 이후, 상기 로드 튜브에 헬륨을 주입하고 2차 가열하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 9, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
A method of manufacturing an optical fiber by injecting helium into the rod tube and performing secondary heating after the primary heating to prevent bubbles from being generated within the rod.
실리카 파우더 또는 상기 믹스 파우더를 가열하여 수분을 제거한 후 상기 로드 튜브에 삽입하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
A method of manufacturing an optical fiber in which the silica powder or the mixed powder is heated to remove moisture and then inserted into the rod tube.
상기 실리카 파우더에 상기 불순물인 알루미나 파우더를 혼합하여 상기 믹스 파우더를 획득하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
A method of manufacturing an optical fiber in which the mixed powder is obtained by mixing the alumina powder, which is the impurity, with the silica powder.
제2 굴절률을 갖는 실리카 튜브에 상기 실리카 파우더 또는 믹스 파우더를 삽입하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
A method of manufacturing an optical fiber by inserting the silica powder or mixed powder into a silica tube having a second refractive index.
상기 제1 로드 제조 시에는 제2 굴절률을 갖는 실리카 튜브에 상기 실리카 파우더를 삽입하고, 상기 제2 로드 제조시에는 제1 굴절률 이상의 굴절률을 갖는 소재로 구현된 튜브에 믹스 파우더를 삽입하는 광섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein manufacturing the plurality of rods comprises
When manufacturing the first rod, the silica powder is inserted into a silica tube having a second refractive index, and when manufacturing the second rod, the mix powder is inserted into a tube made of a material with a refractive index greater than or equal to the first refractive index. method.
상기 코어 및 상기 적어도 하나의 제1 세그먼트 각각에 따라 스택되어 배치되고 제1 굴절률을 갖는 다수의 제1 로드; 및
상기 적어도 하나의 제2 세그먼트 각각에 따라 스택되어 배치되고 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 갖는 다수의 제2 로드를 포함하는 프리폼이 인장된 구조를 갖는 광섬유.An optical fiber comprising a core and a cladding formed around the core divided into at least one first segment and at least one second segment having different refractive indices,
a plurality of first rods arranged in a stack along each of the core and the at least one first segment and having a first refractive index; and
An optical fiber having a structure in which a preform is stretched and includes a plurality of second rods stacked along each of the at least one second segment and having a second refractive index lower than the first refractive index.
스택된 상기 다수의 제1 로드와 상기 다수의 제2 로드가 삽입되는 프리폼 튜브를 더 포함하는 광섬유.The method of claim 15, wherein the preform is
An optical fiber further comprising a preform tube into which the stacked plurality of first rods and the plurality of second rods are inserted.
상기 프리폼을 재결정 온도 이상의 온도로 가열 및 인발하여 상기 프리폼의 단면에 따른 구조를 갖고 길이가 인장되어 구현되는 광섬유.The method of claim 16, wherein the optical fiber
An optical fiber that is realized by heating and drawing the preform to a temperature above the recrystallization temperature and having a structure according to the cross section of the preform and being stretched to a length.
단면 상에서 중앙에 위치하는 제1 굴절률의 상기 코어과 상기 코어 주변에서 방위각 방향으로 상기 다수의 제1 세그먼트와 상기 다수의 제2 세그먼트가 교대로 반복 배열된 구조를 갖는 세그먼트 클래딩 섬유(이하 SCF)로 구현되는 광섬유.The method of claim 15, wherein the optical fiber
Implemented as a segmented cladding fiber (hereinafter referred to as SCF) having a structure in which the core having a first refractive index is located at the center in the cross-section and the plurality of first segments and the plurality of second segments are alternately arranged in an azimuthal direction around the core. optical fiber.
상기 코어의 크기 및 형상에 따라 적어도 하나의 제1 로드가 배치되는 코어 영역;
상기 다수의 제1 세그먼트 각각의 크기 및 형상에 따라 다수의 제1 로드가 스택된 다수의 제1 세그먼트 영역; 및
상기 다수의 제2 세그먼트 각각의 크기 및 형상에 따라 다수의 제2 로드가 스택된 다수의 제2 세그먼트 영역을 포함하는 광섬유.The method of claim 18, wherein the preform is
a core area where at least one first rod is disposed according to the size and shape of the core;
a plurality of first segment areas where a plurality of first rods are stacked according to the size and shape of each of the plurality of first segments; and
An optical fiber comprising a plurality of second segment areas where a plurality of second rods are stacked according to the size and shape of each of the plurality of second segments.
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