KR900009020B1 - 중공 코어 광섬유의 제조방법 - Google Patents

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Description

중공 코어 광섬유의 제조방법

제1도는 본 발명 중공 코어 광섬유 제조에 사용되는 장치 및 재료의 설명도.

제2도는 a-d는 유리관이 로를 통과하고 수득물 중공코어 광섬유 안으로 드로잉되는 중공코어 광섬유의 복합구조 단면도.

본 발명은 광섬유(또는 광파 가이드)에 관한 것으로 특히 중공 코어 광섬유의 제조방법에 관한 것이다.

공지의 광섬유는 유리피복(Cladding) 층으로 둘러싸인 유리 코어(glass core)로서 구성된다.

이 코어는 반사율 N1과 피복 N2를 가지는 것으로 인정된다.

만일 관계 N1＞N2가 만족하면 섬유에 들어온 광선은 입사각이 입계각 이상이 될 때 전체적으로 내부 반사하게 된다. 이 광선은 코어내에 빠져들어 저손실 전달로서 섬유를 통하여 원거리까지 전달된다.

본 발명의 광파 시스템용 광섬유는 GeO₂(이산화게르마늄)과 같은 도우프제(Dopants)를 함유하는 실리카유리제이다.

도프제는 유리의 반사율에 적은 변동을 일으킨다.

섬유코어에 주위 크래드(Cladding) 물질 보다 높은 반사 인덱스를 도우핑함으로써 광섬유 제조에 전달손실이 증가하지 않으면서 더 넓은 여러 가지 물질을 사용할 수 있다.

광섬유의 전달손실을 최소화하기 위하여 많은 다른 기술이 제시되었다.

전달손실은 내부유리의 휘산(Scattering)과 흡수, 불순물 흡수, 크레드손실, 코어/크래딩 불완전 및 기하학적 손실 때문이다.

불순물 흡수 손실은 유리흡수 광내의 전이금속 이온 및 OH기 때문이다. 휘산 손실은 기포, 미세크랙과 부스러기 뿐 아니라 조성 및 밀도변동과 같은 섬유코어 내부의 불완전 때문이다.

크래드 손실은 코어 크래드 내면의 불완전성에 기인한다.

기하적 손실은 섬유의 구부러짐과 다수의 구멍 및 틈의 역기능 때문이다.

크론등의 미합중국 특허 제4,163,654 호는 2중 도가니범 및 화학중기 배치법을 포함하는 여러 가지 광섬유 제조법을 설명하고 있다.

이들 방법은 일반적으로 광섬유 제조에 사용되는 유리 조성물 선택의 심한 제한이 되는 섬유 제조방법에 따르는 문제의 해결을 시도하고 있다.

마클레드의 미합중국 특허 제4,372,767호는 상기 전달 손실을 해결 또는 적어도 최소한으로 하는 저손실 광섬유 및 개선된 인덱스(율)을 가시는 저손실 광섬유의 제조방법을 제시하고 있다.

CO₂가스 레이저는 스펙트럼의 적외선 대역내에서 광을 방출하고 그 높은 효율과 비교적 낮은 원가 때문에 레이저 장비에 넓게 사용된다.

히다까등의 미합중국 특허 제4,453,803호에서는 GeO₂, ZnO, K₂O 크래드 조성물을 함유하는 중공코어 광섬유가 적외선 대에서 효율적으로 광전달을 하고 이리하여 CO₂레이저와 함께 최소전달 손실으로써 사용할 수 있다는 것을 설명하고 있다.

유리로 둘러싸인 공기코어(굴절율이 거의 1과 같다)는 1이하의 굴절율을 가지므로써 진정한 광파 가이드를 구성한다.

유리에 가해지는 첨가제와 안정화 성분의 양을 적절히 조절하여 전달손실을 최소화하고 사용되는 광선의 특수파장에 광섬유를 맞출 수 있다.

중공 코어 섬유는 많은 이점을 갖는다.

이 광섬유는 그 중공코어 때문에 높은 에너지 비임 전달에 대해 뛰어난 견딤섬을 가지며 높은 기계적, 열적 및 화확적 안정성하에 사용될수 있다.

광섬유를 안정한 유리산화물로 제조하였으므로 품질의 저하가 없고 불순물위 혼입 및 조해(deliquescence)에 의한 로스가 생기지 않는다.

그 중공 코어 때문에 본 섬유는 중공 코어를 통한 냉각공기의 통과에 의하여 공기 냉각이 이루어진다.

대부분의 유리 조성물은 기계적으로 약하고 융용실리카 보다 더 수분의 공격에 민감하다.

이 결점은 중공 코어 섬유 제조용 유리 조성이 공업용이나 의학용에는 보다 덜 적당하며 섬유의 유연성이 주된 이점이 되게 만들었다.

하다까(OP.Cit.)는 순수 GeO₂유리에 대하여 설명하고 이 물질로 제조한 중공코어 광섬유가 765㎝^-1의 주파수에서 가장 낮은 가능 전달 손실을 주게 된다는 것을 설명하고 있다.

CO₂레이저빔은 940㎝^-1의 파장으로 전달된다.

주파수는 순수 GeO₂에 알칼리 금속 산화물(예 K₂O)을 가해줌으로써 조정이 가능하나 어떤 수준이상 단독으로 가하면 유리가 조해성을 띄게하고 사용상 나쁘다.

그러므로 제3의 성분의 다른 산화물(예 ZnO, BaO 또는 ZrO₂)을 유리의 조해성을 없애기 위하여 가해준다.

이리하여 수득물 중공코어는 975㎝^-1내지 900cm^-1에서 0.2db/M 이하의 전달손실을 가지는 중간 적외(선)대 (band)의 광선을 전달할 수 있다.

중공코어 광섬유의 제조를 위한 이상광 같은 지식을 적용하기 위하여 적외(선) 안내에 필요한 바람직한 유리 클래딩 조성과 함께 드로잉 가공 공정중에 고 실리카 섬유의 내부가 피복되는 새로운 방법에 의한 레이저 전달용 저손실 중공 코어 광섬유를 제공하는 방법을 설명한다.

본 발명의 주목적은 중공코어 광섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 더 특수한 목적은 적외선대 내의 광을 전달할 수 있는 저손실 중공 광섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2목적은 적외선 전달을 위하여 정확하게 짜맞춘 개선된 반사 인덱스 모양을 가진 저손실 중공 코어 광섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 또한 목적은 산업 및 의학용에 알맞는 유연성이 증가된 저손실 중공광섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면 양호한 클래드 조성의 유리봉과 유리관이 연속적으로 유리관의 내부면과 선 접촉하는 봉과 함께 고온의로 안으로 공급되며 이때 봉의 유리전이 온도는 실질적으로 유리관의 유리전이온도 보다 낮게한다.

유리봉 조성물은 로의 열지역에 들어가면서 유리관 내벽에 균일하게 분포된다.

유리관 내경대 유리봉 지름의 비율 및 드로잉 온도는 유리관 내면상에 피복되는 유리의 코팅두께를 결정한다.

코팅된 관이 로의 피리크열 지역을 통과하면서 광섬유는 드로잉 된다.

봉과관의 공급속도, 봉과 유리관의 드로잉 온도 및 피복 유리관의 인발속도는 미리 선택한 중공 광섬유의 내부 및 외부지름에 따라 선택한다.

외관 유리관은 섬유를 기계적으로 강하게 하고 화확적으로 안정하게 한다.

유리봉과 유리관 사이에 잘 맞지 않는 열팽창성을 감소하기 위하여 변성화확 증착(MCVD)법을 사용하여 언덕형 구배씨일(graded seal)을 퇴적(deposit)시킨다.

본 발명은 적외선, CO₂여러 가지 레이저용 저손실 중공 코어 광섬유의 제조에 적합하다.

도면으로 본 발명을 설명하면 양호한 반사유리 물질(즉 고온에 견디고 내조해성이 있는)로 제조한 유리관(10)은 그 아래 쪽 끝이 개방되어 있다.

상업적으로 가능하고 고순도의 융용 실리카관을 관(10)으로 사용하거나 또는 고실리카 봉규산 나트륨재료(예, Vycor)로 형성된 관(10)을 사용할 수 있다.

유리 클래딩봉(12)은 관안에 삽입된다.

이 클래딩은 실리카 재 튜빙의 내벽에 코팅된다.

다음 이 복합 구조는 고온로(13)내에 삽입되어 중공 코어 섬유 드로잉된다. 로내 열지역의 온도 양상은 제2도의 죄측에서 알 수 있으며 여기에서 온도 피이크는 가열 요소의 중앙에 가깝다.

또한 그 양상은 상부지역에서 의곡되어 있다.

로내의 가열요소는 예를 흑연 저항 가열, 유도 가열 및 레이저 가열장치를 사용한다.

열 지역에 유리봉이 들어가면 연해지고 관 옆에 부착되어 편평해진다.

그 단면을 제2도 a-d에서 볼 수 있다.

온도가 상승하면 점도가 낮아지고 유리관이 내벽상에 유리가 퍼져서 나중에는 완전히 제2도 a-d에서와 같이 유리박층으로서 완전히 피복된다.

이 코팅은 실질상 동일한 반사관 크기로 이루어진다.

코팅된 관은 열지역 피이크를 거쳐 드로잉되어 크기가 가늘어지고 최종에는 제2도 d와 같이 바라는 지름에 도달하게 된다.

드로잉된 섬유는 공정중에 유연한 플라스틱으로 코팅되어 실리카 외표면의 원래의 높은 강도를 유지할 수 있다.

유리 코팅 공정의 조절에는 두 가지 주력점이 있다.

이들은 점도와 유리관위 유리봉의 습윤각(wetting angle)이다.

점도에 의한 힘은 표면 장력을 압도하고 유리관 내면 전체주위를 실질적으로 적셔(Wet) 엷은 필름을 만든다.

유리봉이 용융하면 기재관의 내면을 그 길이에 따라 엷은 필름 형태로 적시며 높은 순도의 투명 유리 안으로 쉽게 도달하게 된다.

또한 온도가 유리 코팅 공정에 영향을 준다. 온도는 점도를 증가시키고 표면 장력을 감소시킨다.

이 조건은 유리관면 내부상의 균일한 코팅의 퍼짐을 보조한다.

유리봉과 관사이의 접촉각이 낮으면 유리봉과 관 표면사이의 조성의 조화성이 있게되며 표면 장력을 낮춘다.

코팅 두께는 유리봉직경, 유리관내경, 반사유리관의 형식 및 드로잉 온도에 의하여 조절한다.

코팅 두께는 관과 봉의 단면으로부터 기하학적으로 계산할 수 있다.

출발 물질내의 봉과관의 단면적의 비율은 최종 제품내 코팅(클래딩)과 관의 단면적 비율에 일치한다.

온도가 상승하면 관내경대 외경 비율이 감소하고 나중에는 관에 접근되어 용융푸울(melt pool)을 형성할 수 있다.

이러한 경우는 좋지 못하다. 이러한 용융푸울 형성 및 관의 붕괴를 피하려면 섬유드로잉 가공온도를 가능한 낮은 값으로 유지해야 한다.

이 온도는 점도 범위가 10⁶내지 10⁸포이즈에 해당하는 온도이며 실리카에 대해 약 1800℃내지 2000℃, 양호하게는 1900℃이며 보로실리케이트(Vycor)에 대해 1600℃내지 1900℃, 양호하게는 1850℃에 해당한다.

균일한 코팅 두께를 보장하기 위하여 유리봉 점도는 10²내지 10³포이즈 사이가 되어야 하며 클래딩 조성물에 대한 900℃ 온도에 해당한다.

유리봉과 관사이의 유리 전이온도의 차이는 이 공정에서 중대한 인자이면 적어도 10¹-10²포이즈이고 양호하게는 10⁴포이즈 또는 그 이상에 해당되어야 한다.

본 발명 실리카 우리관의 전이 온도{Tg)는 1050℃이고 봉규산 유리의 전이온도는 950℃이다. GeO₂10%, K₂O 10%, ZnO 10%(아래참조)로 구성된 유리봉의 Tg는 489℃이다.

즉 이 경우에서 유리 Tg의 차이는 461℃이다.

유리봉과 관의 Tg의 차이는 적어도 200℃이상 이어야 한다.

적당한 우리봉의 조성의 예는 GeO₂80%, K₂O 10%, ZnO 10%가 있다.

모든 비율은 몰퍼센트이다.

이 유리의 열팽팡(계수)은 89×107㎝/㎝℃이며, 연화점은 1580℃이다.

열팽창은 압력이 일정할 때 온도변화에 대한 고체, 액체 및 기체의 치수변화에 의하여 나타낸다.

유리 실리카관 물질의 열팽창은 5×10^-7㎝/㎝℃이며 연화점은 1580℃이다.

바이코르(Vycor)를 기재 유리관으로 사용할 수도 있으며 그 열팽창은 8×10^-7㎝/㎝℃이고 연화점은 1500℃이다.

상기 유리코팅과 관(실리카 또는 봉규산이거나)사이에 존재하는 열팽창 상치 문제를 감소하기 위하여 코팅 및 드로잉 공정에 앞서 변성 화학증착(MCVD)법을 사용하여 구배씨일을 증착시킨다.

유리관의 내벽에 층을 증착되는 구배씨일은 본 발명에 있어서 유리관과 봉 사이에 일어나는 큰 열팽창가 상치 문제를 제거한다.

구배씨일이 없으면 수득물 섬유는 불안정하고 응력을 많이 받고 균열이 일어나게 된다.

마클레드의 미합중국 특허 제4,372,767호에 설명된 MCVD법에는 유리관(이전에는 실리카 유리임)을 회전 유리선반(lathe)에 지지시킨다.

이 유리관은 화기 운반체(fire carriage)에 의하여 고온으로 가열된다.

이 화기 운반체는 유리관의 길이 방향에 따라 세로로 움직인다. 화기 운반체가 관에 따라 움직이면 구배씨일층이 관내벽위로 퇴적한다.

할로겐화물 성분은 흐름 제어(mass flow controller)를 통하여 유리관으로 침투한다.

가열과 산소의 존재는 할로겐화물을 그 관계 산화물로 산화시키고 다음 이것이 용융되어 유리관내의 유리 피복물에 형성한다.

유리관위 다층 형태로 퇴적한 구배씨일은 봉규산 성분이며 구배(gradimg)는 5-20%붕소로서 흘러 이루어진다.

수득물 중공코어 섬유의 내경대 외경의 비는 인발속도와 온도조정에 의하여 조절할 수 있다.

만일 인발속도가 일정하면 온도 상승은 중공 코어의 형성을 방해하게 되는 영(0)에 접근할 때까지 내경대 외경의 비율을 감소시킨다. 그러므로 인발온도는 상기 제한 이내로 유지해야 한다.

또한 중공코어 섬유의 기하학적 유지를 위하여 드로잉 공정 중 유리관 내측을 양압(positive pressure)하에 둘 수 있다.

이것은 중공코어를 통하여 공기를 통과시켜서 달성할 수 있다. 공기 흐름이 높아지면 관내부 압력도 높아진다.

수득물 종공 코어 섬유의 치수는 드로잉 공정중의 세가지 인자가 결정한다.

즉, 유리관과 봉의 로안으로의 삽입속도, 섬유드로잉속도, 및 드로잉 온도이다.

중공 코어 광섬유 드로잉 속도의 증가는 유리관과 봉의 삽입속도의 증가 및 온도상승에 의하여 달성된다.

[실시예 1]

구배씨일링의 양호한 실시예는 MCVD 법으로 사용하여 실리카 유리관(10)의 내측에 봉규산을 퇴적시키는 것으로 구성된다. 다른 구배씨일링으로는 게르마늄 실리케이트가 있다.

상기 실시예는 10.6μM의 파장으로 CO₂레이저 전달에 적합한 중공 코어 제조에 관한다.

[실시예 2-5]

아래표 1에 제시한 다른 유리 조성물을 사용하여 다른 파장에서 레이저들의 전달에 사용하기 위한 중공코어 광섬유 제조공정을 실시예 1과 마찬가지로 실시한다.

Claims (10)

1. 고온로에 양호한 클래딩 조성(물)의 유리봉과 유리관을 유리봉이 유리관의 내면과 선접촉하도록 연속적으로 공급하며, 이때 상기봉의 유리전이온도는 상기 기재관의 유리전이온도 보다 사실상 낮게하고, 일정 온도에서 상기 관과 봉에 열을 가하여 봉이 연하게 되어 관의 내부벽에 퍼지고 완전히 피복하며, 코팅된 유리관이 로의 피이크 열지역을 통과하여 상기 코팅된 유리관의 드로잉(인발)하며 상기 유리봉과 관의 공급속도, 상기 유리봉과 관의 드로잉온도 및 상기 코팅된 유리관의 드로잉 속도를 선택하여 미리 선택한 내경과 외경을 가진 중공 광섬유를 수득하게 되는 중공 코어 광섬유의 제조방법.
2. 제1항에서 코팅 및 드로잉 공정전에 유리관의 내벽에 언덕형 구배씨일(graded seal) 퇴적을 먼저 가지는 중공 괌섬유의 제법.
3. 제2항에서 상기 구배씨일이 붕소규산으로 구성되어 있는 방법.
4. 제2항에서 상기 구배씨일이 규산 게르마늄으로 조성된 방법.
5. 제2항에서 상기 구배씨일이 다성분 유리로 구성된 방법.
6. 제1항에서 상기 유리관의 전이온도가 상기 유리봉의 전이온도 보다 최소한 섭씨 200도 이상 높은 방법.
7. 제1항에서 상기 클래딩은 이산화게르마늄 80%, 산화칼륨 10%와 산화아연 10%를 함유하는 것인 방법.
8. 제1항에서 상기 클래딩은 이산화게르마늄을 함유하는 방법.
9. 제1항에서 상기 클래딩은 이산화규소를 함유하는 방법.
10. 제1항에서 상기 클래딩은 불소화 베릴륨으로 된 방법.

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