KR920002659B1 - 저손실 섬유광학 결합기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

저손실 섬유광학 결합기 및 그 제조방법
제1도는 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 유리모체(preform)를 예시한 도면.
제2도는 봉(rod)을 형성하기 위해 모체를 인발하는 것을 예시한 개략도.
제3a도 및 제3b도는 절단된 유니트를 가열하고 인발하여 그 중앙부가 안으로 차차 가늘어지도록하는 과정을 개략적으로 예시한 도면.
제4도 및 제5도는 제1도의 모체의 제조방법을 예시한 도면.
제6도는 광섬유를 결합기에 접속하기 위한 여러 가지 방법을 예시한 도면.
제7도는 모재유리(matrix glass)부분을 제거하여 그 부분내의 섬유단부를 노출하는 에칭방법을 예시한 도면.
제8도는 에칭 처리후 결합기 유니트를 예시한 도면.
제9도는 본 발명에 따라 성형된 전송 결합기의 사시도.
제10도는 본 발명에 따라 성형된 반사 결합기의 사시도.
제11도 및 제12도는 단일 편관, 단일 모드결합기를 성형하는데 사용될 수 있는 결합기 모체의 횡단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 모체(preform) 12, 13 : 평행코어
16 : 부울(boule) 17 : 트랙터
18 : 노 20 : 봉
23 : 중앙부 27, 28 : 고정단
29, 30 : 축 33 : 피복
46 : 모재유리 48 : 구멍
52 : 코어 56 : 유리봉
71 : 접합재
본 발명은 광섬유 결합기에 관한 것으로서, 특히 그러한 광섬유결합기를 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다. 어떤 유형의 섬유광학 시스템에서는, 한 섬유내에서 전송되는 빛의 최소한 일부가 하나 또는 그 이상의 섬유들에 결합되는 결합기가 필요하다.
일반적으로 결합은 다중코어 소자내에서 두 개가 밀접히 이격된 코어들 사이에서 발생한다고 알려졌다. 결합효율은 코어들의 분리거리가 작으면 증가하고, 단일 모드코어의 경우, 코어지경이 감소하면 결합효율이 증가한다. 이러한 원리에 따라서 여러 가지 결합기들이 개발되었다. 이런 결합기들은 저손실 동작특성, 즉, 1 데시벨(dB) 이하의 저손실 특성을 나타낸다.
다중모드 및 단일모드 결합기들은, 다수의 섬유들을 그 적당한 길이를 따라 나란히 배치하고, 그 섬유들을 고정하기 위해 서로 클래딩을 용착하고, 그 코어들의 간격을 감소하는 방법에 의해 성형된다. 결합 효율은 미국특허 제4,426,215호에 개시된 바와 같이 섬유들을 인발하고 융착길이를 따라 섬유들을 회전함으로써 향상될 수 있다. 또한, 클래딩의 일부분이 미국특허 제4,449,781호에 개시된 바와 같이 코어간의 거리를 감소하기 위해서 에칭이나 연마등에 의해 때때로 제거된다. 이러한 처리는 공수가 많이 들고 또한 때로는 소정의 바람직한 결합특성을 보여주는 결합기를 성형할 수 없다는 결점을 지닌 것이다. 이러한 결점 중 특히 후자의 결점은, 결합코어부분이 전파상수가 정합되도록 평행하게 유지되어야하는 단일모드 결합기의 제조에서 발생한다.
대부분의 결합기들은 결합될 섬유들에 직접열을 가하는데 반하여 미국특허 제3,579,316호에서는 단부들이 중첩되는 모세관(capillary tube)속에 먼저 섬유들이 삽입되는 방법을 사용한다. 모세관은 섬유 클래딩 재료의 반사계수보다 낮은 반사계수를 가진 유리로 만든 것이다. 열은 섬유중첩 부근의 모세관에 가해지고, 다음에 모세관이 그 직경이 본래의 섬유직경과 대략 일치할때까지 인발된다. 인발된 부분이 본래의 코어들은 점점 줄어들어 그 인발된 직경이 본래 직경의 대략 1/100에 불과하게 된다. 본래 섬유 클래딩은 결합부분이 코어가 된다.
상기 미국특허 제3,579,316호의 방법의 단점은 다음과 같다. 즉, 섬유들이 각 결합기 마다 모세관속에 삽입되어야만 하기 때문에 비용이 많이든다. 또한, 상기 방법에서, 본래의 클래딩이 점점 줄어든 코어들의 위치에 있어야 하기 때문에, 코어직경을 본래 직경의 1/100로 감소하는 것은 손실이 큰 결합기를 발생하게 된다. 섬유 코어들이 그들의 점점 가늘어진 크기로부터 그들의 본래의 크기까지의 차차 가늘어진 결합기 부분에서 출력의 불충분한 량이 클래딩에서 도로 코어로 전송될 수 있다. 더욱이 코어들을 직선으로 유지하고 또한 섬유들이 모세관으로 삽입되고 인발될 때 서로 평행하게 유지하는 것은 대단히 어렵다. 그러한 비직선 결합기 코어는 단일모드 결합기에서 결합효율을 감소하게한다.
과잉소자 손실을 제어하는 문제는 종래기술의 소자에 따른 문제이다. 분할된 파안내기들에서 모드 출력의 가변성은 제작방법의 차이에 따른 것이다. 어떤 소자에서는 입력섬유 및 출력섬유 포트들을 쌍갈래(bifurcation)로 하는 것은 달성하기 어려운 것이다. 또한, 여러 종래기술의 제작단계는 고도로 공수가 드는 작업이고, 따라서 제작비의 상승을 가져오는 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 종래기술의 결점들을 제거할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 낮은 과잉소지 손실을 나타내는 결합기들을 낮은 비용으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 또다른 목적은 섬유들이 쉽게 접속될 수 있으며, 쉽게 제작될 수 있는 광섬유 결합기를 제공하는 것이다.
본 발명은 다음 단계를 포함한 섬유광학결합기의 제작방법에 속한 것이다. 즉, 모재유리를 관통하여 연장한 다수의 이격된 유리코어들을 가지며, 모재유리가 상기 코어들의 반사계수보다도 낮은 반사계수를 갖는 결합기 모체가 초기에 제공되는데, 코어들은 그 코어를 관통하여 전파되는 광신호의 편광을 유지하기 위한 수단을 선택적으로 포함한다. 결합기 모체는 유리봉을 형성하기 위해 가열되고 인발되며, 그다음, 상기 봉은 코어들이 그 단부면들이 동일평면에 있도록 다수의 유니트로 절단된다. 그 유니트들이 각각의 중앙부에 열이 인가되면서 그 유니트의 일단부가 다른 단부에 대해 인장되고 연장되어서 그 가열된 부분이 내부로 차차 가늘어져서 유니트의 코어들이 보다 밀접하게 이격되고 그 중앙부에서의 직경이 유니트의 단부에서의 직경보다 더욱 작아진다. 코어직경의 변화는 결합기에 과잉손실을 줄정도로 급격하지 말아야 한다.
결합기 모체를 제조하는 방법은 여러 가지가 있다. 예를들면, 각각이 한층의 클래딩 유리로 둘러쌓인 코어 유리의 축부를 포함한 다수의 섬유모체가 나란하게 배치되고, 그것들의 복합체가 모재유리 입자가 피복되면서 회전된다. 모재 유리의 피복은 결합기 모체를 형성하도록 굳어진다. 다른방법으로는, 세로방향으로 연장한 구멍들을 모재유리의 부울(boule)내에 형성할 수 있다. 한 섬유모체는 최소한 코어유리의 한 축부를 포함한 것으로서 각각의 상기 구멍내로 삽입된다.
결합기 모체의 모재유리가 화학적 증기 침착법으로 만들어진다면, 그 반사 계수가 약간씩 변하는 줄무늬들을 그 모재 유리가 포함할 수 있다. 결합기 모체를 가열 및 인발하는 단계중에 만일 그 줄무늬가 포함되어서 반사계수가 클래딩 유리의 반사계수보다 크다면, 클래딩 유리의 직경은 그 줄무늬의 반경방향의 두께가 그 결합기를 통하여 전송될 광의 파장에 비해 작도록 충분히 감소되어야만 한다.
한 유니트의 중앙부는 연장되어 다음과 같이 내부로 차차 가늘어질 수 있다. 유니트의 좁은 축부를 연화하기 위해 가열부분이 제공된다.
그 가열부분과 유니트 사이에 상대운동이 그 유니트에 장력이 인가되면서 제공되는데, 상기 장력의 크기는 가열부분에 대한 유니트의 상대위치에 따라서 달라진다. 어느 한 실시예에서는 가열부분이 고정된다. 유니트의 한 단부가 가열부분으로부터 멀어지는 반면 다른 한 단부는 보다 느린속도로 상기 단부가 멀러지는 방향으로 이동된다. 다른 단부의 속도는 차차 가늘게 하여 연장하는 전 공정중에 일정할 수도 있다. 일단부의 속도는 전환부를 형성하기 위해 점차증가하고, 결합부를 형성하기위해 일정하게 되고, 다시 제2전환부를 형성하기 위해 점차 증가한다.
또한, 본 발명의 방법은 결합기 단부면들의 최소한 한 단부면에서 연장하며 그 단부면까지 연장하는 각 결합기 코어와 정렬하는 여러 광섬유들을 제공하는 단계를 포함한다. 광섬유들은 결합기 코어들과 정렬한 결합기 단면들에 단순히 접합된다.
광섬유들을 단부면들에 접속할때에, 한구멍이 각 단부면에서 종단하는 결합기 코어들의 각각과 정령하는 다수의 구멍들을 가진 캡(cap)들을 상기 단부면들에 사용하면 용이하게 접속할 수 있다. 상기 광섬유들의 섬유가 종단 캡의 상기 구멍의 각각에 끼워진다.
한 실시예에서는, 섬유들이 결합기의 오직한 단부면으로부터 연장한다. 그러한 반사(reflective) 결합기를 형성하기 위해, 그 결합기의 다른 단부는 반사성 피복을 갖는다.
광섬유를 결합기 코어와 정렬하는 양호한 방법은 다음 단계들을 포함한다. 결합기 모재는 소정의 용매에 쉽게 용해되는 유리로 형성된다. 각 결합기 코어들은 상기 소정의 용매에 비교적 용해되지 않는 클래딩 유리층으로 피복된다. 결합기 유니트의 단부는 소정의 용매에 침지되어 유니트의 각 단부로부터 모재유리의 침지된 부위가 용해됨으로써 유니트 코어들의 단부들과 용매에 용해되지 않는 클래딩 유리피복이 노출된다. 섬유들의 단부들이 각각의 단부면으로부터 최소한 1센티미터 이상 돌출해서 단부들에 다른 섬유들이 결합할 수 있도록 되어야 한다.
모재 유리를 결합기 유니트 단부로부터 용해하는 단계중에, 바람직하게는, 그 유니트들이 소정의 용매로부터 침지된 부분을 점차부분적으로 빼내지도록 후퇴되어 차차 가늘어진 단면을 형성하고 돌출섬유들을 강화한다.
본 발명의 양호한 실시예에 의해 두 단부면을 가진 모재유리의 연장된 몸체를 포함한 저손실 광섬유 결합기가 제공된다. 다수의 광섬유 코어들은 세로방향으로 몸체를 관통하여 연장하고 클래드 광섬유들과 같이 일단면 또는 양단면에서 돌출한다. 광섬유들은 최소한 하나의 코어와, 외부 클래딩 유리피복층을 포함하는데, 상기 클래딩 유리피복층은 모재유리보다 소정의 용매에 더욱 녹지 않는 내용매성을 지닌다. 연장된 몸체의 중앙부의 직경과 그 중앙부내의 섬유들의 직경은 몸체의 양단부면에서의 각각의 직경보다 작다. 또한, 광섬유들은 단부면에서보다 중앙부에서 더욱 밀접히 이격된다. 모재유리의 반사계수가 광섬유 클래딩 유리의 외부층의 반사계수와 서로 같은 것이 바람직하다. 예를 들면, 모재유리는 SiO2, B2O3및 GeO2를 포함하고, 반면에 섬유광학 클래딩 유리는 SiO2를 포함한다.
이제 본 발명의 양호한 실시예가 첨부도면을 참조로하여 상세히 설명된다. 도면에 도시된 것은 소자의 규격이나 비례관계를 지칭하는 것이 아니고 예시 내지는 상징적인 것임을 알아야 한다.
제1도를 참조하면, 결합기 모체(10)가 모재유리의 부울(16)내에 배치된 다수의 평행한 코어(12)(13)들을 포함한다. 모체(10)는 노(18)(제2도에 도시)내에서 트랙트(17)에 의해 인발되어 다중코어 결합기 봉(20)을 형성한다. 봉(20)은 적당한 길이의 다수의 유니트(21)들로 절단된다. 진공설비(19)가 인발중에 모체(10)의 상단에 부착된다.
제3a도를 참조하면, 각 유니트(21)는 모재유리의 부울(16') 내에 코어(12')(13')들을 포함한다. 유니트(21)의 중앙부는 제3b도에 도시된 것처럼 직경이 감소된 연장 또는 넥다운 중앙부(23)를 형성하기 위해 인발되는 동안 가열원(22) 의해 제어된 열적 환경하에 있게된다. 이 가열원(22)은 유니트의 좁은 축부를 따라 가열부분을 제공할 수 있는 것인데, 보통 화염 또는 레이저등이다.
넥다운부(23)를 형성하기 위해 유니트(21)의 한 단부를 다른단부에 대해 인장함으로써 제어된 장력이 그 유니트에 인가되는 중에 가열원(22)과 유니트(21) 사이에 상대운동이 있어야 한다. 이런상태는 다음 설명과 같이 성취될 수 있다. 설명이 편외상 가열원(22)을 링 버너라 하자 링 버너는 유니트(21)를 둘러싸서 반경 방향으로 내부로 유니트(21)쪽으로 열을 전달할 수 있다. 유니트기 링버너속으로 삽입된 후, 그 유니트의 단부들은 고정단(27)(28)에 고정된다.
고정단(27)(28)은 각각 그 고정단내에 있는 나사홈 구멍을 관통하여 연장한 나사홈 있는 축(29)(30)을 회전시킴으로써 수직방향으로 이동할 수 있다. 축(29)(30)은 모터(도시안함)들에 연결되는데, 상기 모터의 속도는 시간에 대해 변하도록 프로그램된다. 버너(22)는 점화된 다음, 처음에는 유니트(21)쪽으로 내부로 점 a로 링화염을 향하게 한다. 고정단(28)은 일정속도로 화살표(23)(24)와 같이 하방으로 이동하고, 고정단(27)은 그보다 약간 큰 속도로 화살표(25)와 같이 하방으로 이동하기 시작한다. 고정단(27)의 운송속도가 보다 빠르기 때문에 유니트(21)는 고정링 버너를 관통하여 하방으로 이동될 때 연장하게 된다. 고정단(27)의 속도는 버너(22)의 상대 위치가 점 a에서 점 b로 유니트(21)상을 이동할 때 선형으로 증가한다. 고정단(27)의 속도는, 버너(22)의 상대위치가 점 C와 일치할 때까지 일정하다.
그후, 고정단(27)의 속도는 보너의 상대위치가 점 d에 인접할때까지 선형으로 감소한다. 이때 화염의 꺼지고 양 고정단은 정지한다. 지금까지 장력을 유니트(21)에 인가하면서 가열원과 유니트(21) 사이의 상대운동을 제공하기 위한 여러가지 방법중 한 방법에 대해 기술하였다.
제3b도 및 제3a도의 방법으로 형성된 소자가 광파안내 결합기로서 기능을 할 수 있다. 즉, 코어들이 서로 밀접하게 되고, 감소된 직경을 가지는 넥다운부(23)에서 한 코어내를 전송하는 광이 다른 코어로 결합된다. 넥다운부(23)와 떨어진 곳에서는 광이 한 코어에서 다른 코어로 결합하지 않는다. 그 이유는 코어들이 결합거리 보다 큰 거리로 분리되었기 때문이다.
넥다운부가 아닌 부위의 섬유들의 직경은 거기에 연결될 섬유들의 크기에 의해 결정된다. 코어들은 그 직경이 효율적인 결합을 달성하기 위해서 결합부에서 어떤 최저 직경으로 감소되어야 한다. 그러나, 결합부의 코어들이 더욱 작아지면, 그 내를 전파하는 전파에너지는 더욱 불충분하게되기 쉽고 휘어지게 되므로 광이 그 코어로부터 복사하게 된다. 저 손실 다중모드 결합기들, 즉 1dB 이하의 손실을 가진 결합기들은 그 직경비가 1/10 정도로 낮고, 포물선 윤곽을 갖는 결합기들은 그 직경비가 1/8 정도로 낮다. 저 손실 단일 모드 결합기들은 그 직경비가 1/3.5정도로 낮다. 넥다운부에서의 코어직경비대 넥다운부가 아닌 부위에서의 코어직경비는 과잉손실을 방지하기 위해 대략 1/20보다 작지말아야 한다고 생각된다. 에너지가 코어부위에서 모재유리로 넥다운 결합부에서 전송된 다음에 만일 코어직경에서의 변화가 너무 크다면 모재유리에서 다시 코어로 또는 코어부위들로 보다 작은 량의 에너지가 전송될 것이라고 이론적으로 알려졌다.
또한, 결합은 유니트(21)가 인발되는 중에 그 유니트의 한단부를 다른 단부에 관해 회정시킴으로써 어떤 유형의 결합기에서 더욱 효과적이라고 알려졌다. 이것은 고정단(27)(28)들 중의 하나에 장착된 회전할 수 있는 척(chuck)에 유니트(21)의 일단부를 삽입함으로써 달성된다. 결합부의 그러한 비틀림으로 인해 안내되는 빛이 전파가 시작되는 코어로부터 클래딩속으로 깊이 연장되게 한다.
제1도의 모체(10)는 여러 공지기술의 어느한 기술로도 형성될 수 있다. 제4도에 도시된 바와 같이, 다수의 광섬유 모체(31)들은 접촉면들을 화염으로 가열하는 방법으로 서로 나란한 관계로 고정될 수 있다. 만일 모체(31)가 광섬유가 인발될때의 통상의 크기를 갖는다면, 소망의 보다 작은 직경으로 될 때까지 그들을 인발하여야 한다. 섬유 모체의 복합체는 다음에 선반에 장착되어 회전되고 버너(32)에 관해 세로방향으로 병진운동한다.
이때 버너는 클래딩수트(soot)의 피복(33)을 침착시키게 된다. 피복(33)은 제1도에 도시된 유형의 모체를 형성하기 위해 견고해진다. 섬유모체(31)들간의 구멍(34)은 제2도의 인발공정중에 진공되게 하여서 제거될 수 있다. 또한 그것은, 광섬유모체(31)의 복합체를 가열하고 인발하는 동안에 진공을 가함으로써 피복(33)이 인가되기전에 제거될 수도 있다.
제1도의 모체(10)는 또한 순수한 클래딩 유리의 부울내에 또는 광섬유 모체내에 구멍들을 형성하고 그 구멍들내에 코어재료의 봉들을 삽입하고 그 코어봉들을 클래딩 유리에 밀봉하도록 유리몸체를 가열하여서 형성된다. 밀봉 공정은 제2도의 가열 및 인발공정으로 구성된다.
제5도에 예시된 실시예를 보면, 코어부(44)와 모재유리의 클래딩부(46)를 포함한 모체(42)는 어떤 공지 기술로도 만들 수 있다. 그 일단부가 평편한 단면(43)을 형성하기 위해 모체(42)로부터 절단된다. 두 구멍(48)들이 코어 드릴링이나 초음파 천공방법등의 어떠한 공지기술에 의해 코어(44)의 양편상의 모재 유리내에 형성된다. 구멍(48)은 그 벽들의 어떤 결합도 없도록 처리되는 것이 좋다. 구멍(48)은 제5도에 예시한 바와 같이 모체(42)의 일단부에 약간 못미쳐서 종단되거나 또는 그 구멍은 관통될 수도 있다. 구멍의 벽 처리는 예를들면, 다이아몬드 혼 가공이나 연마 가루 가공 또는 하이드로플루오르산으로 에칭함으로써 벽을 평활하게 한다. 그러나, 양호한 방법으로는 구멍(48)의 벽들은 모체를 노내에 매달고 그 모체가 연장될 수 있는 온도까지 가열함으로써 평활해진다. SiO2를 고도로 포함한 경우 상기 온도는 대략 1850 내지 1950℃의 범위에 있다.
상기 구멍(48) 속으로 유리봉(50)이 삽입되는데, 그 유리봉(50)은 전체적으로 균일한 복합물일 수도 있으나, 양호하게는 그 봉은 코어부(52)와 그 코어부를 둘러싼 클래딩 유리층(54)을 포함한다. 상기 유리층(54)은 모재유리(46)의 반사계수보다 크거나 같은 반사계수를 갖는다. 코어(52)들을 형성하는 유리는 비교적 부드러운 연질유리이므로 인발공정중에 코어의 형태를 유지하기 위해 경유리로 그러한 코어유리를 피복하는 것이 좋다. 그러한 경유리 클래딩이 없다면, 연질코어 유리봉은 인발공정중에 녹을 수 있어서 코어봉들의 형태나 본래의 크기를 왜곡시키는 압력을 증가할 수 있다.
다음 기술은 또한 코어봉들이 녹아서 구멍속으로 미끌어져 들어가는 것을 방지하는데 사용된다. 봉들의 상단부(55)는 확대될 수 있기 때문에 봉들이 구멍(48)들속으로 삽입되자마자 확대된 단부는 단부(43)에서 속박되고 모체로부터 돌출한다. 확대된 상기 단부는 그 단부를 화염으로 가열하고 단부를 평면에 대해 가압함으로써 부풀게하여서 형성된다. 봉들의 확대단부들은 봉들과, 구멍들의 인접벽들과의 사이에 공간을 제거하는데 방해가 되지 않는다.
제5도에 예시된 조립체가 인발로에 삽입되어 제2도에 예시된 바와 같이 인발된다. 유리봉(56)은 모체(42)의 단부에 용착되어 인발공정을 개시한다. 인발공정중에, 봉(50)들은 연화되어 구멍(48)들의 벽에 적합된다. 따라서 사실상 틈, 공간, 기포등이 없는 일체화된 모체가 형성된다.
진공연결부가 인발공정중에 모체(42)의 상단에 연결된다. 이 연결부는 봉(50)과 구멍(48)의 벽 사이의 공간내에 존재하는 가스나 수증기의 양을 최소화하기 위한 것이다. 진공 연결부를 양호하게 부착하는 방법은 다음과 같다. 봉(50)을 구멍(48)내에 삽입하기전에 고온실리카와 같은 유리관(58)을 면(43)에 용착한다. 그 관(58)의 외경은 모체(42)의 외경과 동일한 것이 좋다. 만일 봉(50)이 관(58)을 모체(42)에 용착하기전에 삽입되었다면, 봉(50)내의 보다 연한 유리가 녹아 봉과 모체 사이의 공간에 채울수도 있다.
그러므로, 진공연결부 모체(43)의 상단(43)에 가해지면, 그 진공 연결부가 구멍들(48)의 하단부들과 교통하는 것을 예방한다.
모체 맞은편 관(58)의 단부는 안으로 차차 가는형상이다. 그러한 형상은 관을 화염작업하여서 만들 수 있다. 관의 가늘어진 단부의 직경은 봉(50)들이 그것을 관통하기에 충분할 만큼 크게하여야 한다. 봉(50)들이 구멍들(48)에 삽입된 후, 유리 맞춤부(60)가 관(58)에 용착된다. 그 맞춤부의 단부에는 진공연결부(64)가 부착되는 젖빛 유리 결합부(62)가 형성된다.
처음에 형성된 모체가 만일 균일한 복합물이라면, 즉, 처음부터 코어부를 갖지 않은 것이라면, 소정의 코어들을 형성하기 위해 그 모체안에 소정의 구멍들을 천공하고 각 구멍에 코어 유리봉을 삽입한다.
제6도는 광섬유들을 한 결합기에 연결할 수 있는 다른 두가지 방법을 예시한 것이다. 결합기(66)는 두 코어(67)(68)를 포함한다. 섬유(69)(70)는 접착재(71)에 의해 결합기(66)의 일단부에 부착된다. 섬유들을 이런방법으로 연결하는 것은, 그 섬유들을 결합기 코어들과 반드시 정렬시키고 접착제가 고화하기까지 그 정렬된 것을 유지해야 하므로, 공수가 많이들고 시간이 드는 작업이다.
두 구멍(74)은 결합기 코어(67)(68)과 정렬되는 것으로서 캡(73)내에 형성되었다. 캡(73)은 결합기(66)의 제2단부에 부착된다. 섬유(75)(76)가 구멍(74)속에 삽입되면, 그 섬유는 각각 코어(67)(68)와 정렬된다.
섬유들이 관통하여 연장된 결합기의 개선된 형성방법이 제7도 내지 제9도에 도시된다. 결합기 모체가, 제5도에 도시된 유형과 같으나 중앙코어(44)를 포함하지 않는 균질한 코어유리부울내에 두 구멍을 코어 드릴링함에 의해, 형성된다. 부울(46)은 섬유(50)의 재료보다는 소정의 용매에 더 잘 녹거나, 또는 최소한 섬유(50)의 클래딩(54)보다는 더 잘녹는 물질로 형성된다. 예를들면, 섬유(50)는 게르마니아 실리케이트 코어(52)와 실리카 클래딩(54)을 포함한다.
이런 유리, 특히 실리카 클래딩은 하이드로플루오르산에 잘 부식되지 않는다. 부울(46)은 실리카보다는 하이드로플루오르산에 더 잘녹는 보로, 게르마니아 실리케이트 유리로 형성될 수 있다. 부울(46)에 포함된 B2O3의 GeO2의 양은, 부울(46)의 반사계수가 사실상 실리카 클래딩(54)의 반사 계수와 같거나 그 이하가 되도록, 조정되는 것이 좋다.
전술한 바와 같은 모체가 인발되고 유니트(제2도)들로 절단되어 그 중앙에 넥다운부를 형성한 다음에(제3도 및 제3b도), 유니트(81)의 단부가 제7도에 도시된 바와 같이 산성용액이 담긴 탕(80)속에 매달린다.
그 산은 모재 유리(84)를 용해 또는 부식하여 섬유단부(82)(83)를 제8도에서와 같이 단면(85)으로부터 돌출하도록 형성한다. 유니트(81)의 길이는 섬유(82)(83)를 돌출하기에 바람직한 길이를 갖어야만 한다. 산에 침지된 유리트(81)의 길이는 그 반경보다 상당히 크기 때문에, 섬유들이 에칭에 의해 상당히 짧아지기전까지 산은 섬유들로부터 클래딩재료를 반경방향으로 안쪽으로 용해하여 에칭한다.
다음에 유니트(81)의 나머지 단부가 산에 침지되어 그안에 섬유(82)(83)의 단부를 노출한다. 따라서, 제9도에 도시된 바와 같은 결합기(87)가 형성된다. 결합기에서 돌출한 섬유들은 다른 섬유에 용착되거나 다른 연결조립체에 끼워질 수 있다. 제5도의 모체에 사용된 섬유의 본래의 직경과, 제2도의 인발공정중에 발생하는 그 크기의 감소는 결합기(87)에서 돌출할 섬유들이 그들에 접속될 섬유들과 같은 직경을 갖을 수 있도록 되어야 한다.
유니트(81)가 전체 에칭 공정중에 산내에서 일정수준으로 유지된 경우 단면(85)은 비교적 평편할 것이다. 섬유들은 그러한 평편한 단면에서 쉽게 파손될 수 있다. 따라서 양호한 실시예에서는 유니트(81)를 산성용액으로부터 에칭공정중에 점차부분적으로 끄집어잰다. 유니트는 제8도에 도시된 바와 같이 차차 가늘어진 단면(85)을 형성하기 위해 에칭 공정중에 수센티미터 끄집어낼 수도 있다. 섬유로부터 모재유리를 점차 가늘게하는 것에 의해 보다 견고한 결합기가 만들어진다.
광섬유들을 섬유(82)(83)들에 용이하게 결합하기 위해서는 그 섬유들은 단면(85)으로부터 최소한 1센티미터 돌출하여야 한다. 0.5 미터정도 돌출하는 섬유들을 가진 결합기들을 전술한 에칭기술로 형성된다.
모재 유리(46)는 섬유(50)의 재료보다 더 잘 용해하는 물질로 구성된다. 모재유리에 사용될 수 있는 물질들이 미국특허 제4,112,170호에 기술되어 있다. 그 특허에 기재된 BaO-B2O3-SiO2유리들이 그들과 함께 쓰이는 납실리케이트보다 더 쉽게 용해할 수 있다. 다른 방법은 코닝 글라스 웍스에 의해 ＂포토세람(photo-ceram＂이란 상표로 시판되는 것과 같은 광 감응성 유리로부터 에칭할 수 있는 재료로 만드는 것이다. 이런 유리를 자외선 광선에 대해 에칭되도록 선택적으로 부위를 노출시켜 처리한다. 다음에 이 유리 재료가 대략 30분동안 대략 592℃에서 가열처리된다. 노출된 유리는 적합한 에칭액 예를들면 12%의 하이드로플루오르산 수용액에 의해 비노출유리보다 대단히 빠른 속도로 에칭된다.
주목할 것은, 결합기를 형성한 유리의 광감쇠성은 긴 길이의 섬유를 형성한 유리의 광감쇠성보다 중요하지 않다는 점인데, 그 이유는, 결합 거리가 불과 1 내지 10센티미터이고 결합된 섬유의 클래딩간의 거리는 양호하게는 10㎛ 이하이기 때문이다. 결합은, 클래딩 분리가 30㎛ 정도로 클 경우에 이뤄진다.
단일 결합기 유니트의 에칭방법에 대해 지금까지 설명되었지만, 다수의 유니트들도 보다 결제적으로 생산하기 위해 동일한 탕내에서 동시에 에칭될 수 있다.
본 발명의 방법이 단일 모드 또는 다중모드 결합기들을 제조하는데도 사용될 수 있음을 알아야 한다. 대부분의 다중모드 섬유들은 대역폭을 최적화하도록 대략 2.0의 α-값을 갖는다. 다중모드 결합기 코어들의 α-값들은 결합효율을 향상하고 접속손실을 최소화하도록 대략 3 내지 10 사이의 값들이다.
스텝계수(α=∞)결합기 코어들은 비록 그들이 결합기 픽테일(pigtail)과 대략 2.0의 α-값을 가진 통상의 다중모드섬유의 접속부에서 손실이 클지라도 결합효율을 높인다.
제1도의 모재유리(16)는 용융과 같은 적당한 방법에 의해서도 형성될 수 있지만, 화학적 증기침착(CVD)공정에 의해서 형성하는 것이 바람직하다. CVD공정에 의해 처리함으로써 유리가 보다 순수하고 따라서 국도로 낮은 손실을 제공한다. 제4도에 모재유리(33)는 화염산화 버너에 의해 침착되는 것으로 예시되었다.
제5도의 부울(42)은 쉽게 CVD방법으로 쉽게 형성될 수 있다. 매우 순수한 유리는 CVD기술로 침착될 수 있지만, 그 결과의 부울 또는 모체는 여러 동심 피복층들을 포함한다. 약간의 반사계수 변화가 각 피복층에 걸쳐 존재하기 때문에, 만일 각층의 두께가 그 결합기를 통과하여 전송될 광의 파장보다 작지않다면 산란 손실이 그러한 층진유리로 형성된 결합기내에서 발생할 것이다. CVD기술에 의해 형성된 결합기에 있어서, 인발비율, 즉 다중코어 결합기봉(20)(제2도)의 비대 결합기모체(제1도)의 봉의 비는 만일 줄무늬때문에 발생하는 최대 계수가 클래딩 유리의 계수보다 크다면 광파장보다 작은 두께로 침착 유리층의 두게를 감소하는데 충분한 것이어야 한다.
제10도는 본 발명의 방법에 따라 제조된 반사 스타(star) 결합기(88)를 예시한 것이다. 광섬유(89)는 결합기 일단부에서 돌출하고, 다른 단부는 연마되어서 결합기의 세로방향의 축과 사실상 수직인면으로 마무리 처리되었다. 광택이 있도록 마무리 처리된 상기 단부상에는 예를들면 은(silver)으로 반사면층이 되도록 침착된다.
본 발명은 예를 들면 미국특허 제4,415,230호, 제4,478,489호 및 제4,493,530호에 기술된 유형의 섬유들 사이에 에너지를 전송하는데 유용한 평관 유지형 결합기들의 제작에 쉽게 적용될 수 있다.
제11도를 참조하면, 결합기 모체(10')는 편광유지형 단일모드섬유 모체(92)(93)를 내장한 모재유리의 부울(16')을 포함한다. 섬유모체(92)(93)들 각각은 타원형 내부 클래딩층으로 둘러쌓인 코어를 포함한다. 응력 클래딩 유리의 외부층이 내부 클래딩층을 둘러싸는데, 외부가 원형인 면을 갖는다. 응력 클래딩 유리의 온도 팽창계수(TCE)는 내부클래딩 유리의 것과는 다르다. 응력 클래딩 유리의 외부층은 순수한 실리카로 구성될 수 있기 때문에 에칭액에 용해하기 어렵다. 모체(10')의 두 대향측부는 결합기에 연결될 단일평관 단일모드섬유들과 결합기를 쉽게 배향할 수 있도록 절단되거나 연마되었다.
결합기 모체(10')는 제5도와 관련해서 설명한 방법으로 만들 수 있다. 평행한 구멍들이 에칭가능한 유리의 부울내에 천공된다. 양측부는 연마되어 평편하다. 편광 보유한 단일모드모체, 즉, 제11도에 예시된 유형의 모체는 각 구멍내로 삽입되고 그들을 조심스럽게 적당히 배향한다. 그 다음에 모체는 제2도, 3도 및 7도에 예시된 처리단계를 지나게 된다. 응력 클래딩 유리의 외부층은 순수한 실리카로 구성될 수 있어서 에칭액에 용해하기 어렵다.
제12도의 결합기 모체(10＂)는 편광 보유형 단일모드섬유모체(96)(97)가 배치된 모재유리의 부울(16＂)을 포함한다. 각 섬유모체(96)(97)는 순수실리카를 포함하는 클래딩 유리로 되어 에칭액에 용해하기 어려운 층으로 둘러쌓인 코어를 포함한다. 클래딩 유리의 TCE와는 다른 TCE를 가진 두 유리 응력봉들이 코어의 양편에 직경방향으로 배치된다. 결합기모체(16＂)는 제11도와 관련하여 기술된 방식으로 형성된다.
에칭기술에 의해 결합기를 형성하는 양호한 방법이 본원과 미국에서 동일자 출원된 미국출원번호 제765,655호에 설명되는데, 상기 방법에 따르면 굴대는 유리그을음(soot) 침착버너에 관해 회전 및 병진운동한다. 그 굴대상에는 11중량% B2O3, 6.1중량% GeO2및 82.9중량% SiO2를 포함하는 그을음 모체가 침착된다. 굴대가 제거되고 모체가 축방향 구멍을 가진 부울을 형성하도록 단단해진다.
단일모드 광섬유 모체는 미국특허 제4,486,212호에 개시된 그을음 침착기술로 만들어진다. 코어는 10중량% GeO2와 90중량% SiO2로 구성되고, 클래딩은 순수한 SiO2로만 구성된다. 그 결과의 모체 또는 블랭크는 52mm의 직경을 갖고, 다음에 7mm의 직경의 봉으로 인발된다. 봉의 일부분이, 부율을 형성하는데 보통 쓰이는 보로-게르마니아 실리케이트와 동일한 복합물의 피복이 형성되도록 인가되는 중에, 회전 및 병진운동된다. 다음에 모체는 단단해지고 인발로에서 고온이 가하여지고 1.5mm 직경으로 인발된다. 이러한 봉이 대략 22cm의 길이를 갖도록 절단된다. 그 봉은 피복과 그 봉의 다른 부분과의 사이에 팽창 부정합으로 인해 쪼개지는 것을 방지하기 위해 토오치로 절단된다.
두봉이 양단부에서 용착되고, 놉(knob)이 일단에 형성된다. 그 봉들이 부울이 구멍에 삽입되고, 놉에 의해 부울이 상단으로부터 매달려 있다. 진공연결부가 부울의 상당에 부착되어 구멍이 소개되고 그 바닥은 밀폐된다. 그다음 결합기 모체는 약 1950℃로 가열되고 직경 3mm의 다중코어 결합봉으로 인발된다. 그 봉은 길이 15cm의 유니트로 절단된다.
각각의 상기 유니트는 제3b도 및 제3b도에 예시된 장치로 넥다운부를 갖게된다. 유니트는 처음에 링 버너를 관통하여 삽입되고, 그 단부들은 하단스테이지(27) 및 상당 스테이지(28)에 고정된다. 상기 버너가 점화되고 그 링 화염이 제3b도에 예시된 점 a에서 유니트를 향해 내부로 지시된다. 상기 스테이지(28)가 하방으로 일정속도 0.035cm/sec로 이동되기 시작하고, 스테이지(27)는 하방으로 0.075cm/sec로 이동되기 시작하므로, 보다 빠른 스테이지(27)의 이동 속도에 의해 유니트(21)가 고정 링 버너를 관통해 하방으로 이동될때 연장된다. 스테이지(27)의 속도가 직선적으로 0.075cm/sec에서 0.5cm/sec로 버너(58)의 상대위치가 유니트(53)상에서 점 a에서 점 b로 이동될때, 증가된다. 그 스테이지(27)의 속도는 버너(58)의 상대위치가 점 c일때까지 0.5cm/sec로 유지된다. 그후에, 스테이지(27)의 속도가 버너의 상대위치가 점 d에 도달할때 속도 0.5cm/sec가 되도록 직선적으로 감소된다. 이때 화염은 소화되고 두 스테이지는 정지된다.
이렇게해서 만들어진 인발된 유니트는 18cm의 길이를 가지며, 차차 가늘어진 경사각 θ는 약 3°이다. 코어들이 유니트의 중심에 매우 근접하여 위치되기 때문에 코어들의 경사각도는 약 0.03°로 추정된다. 넥다운부의 직경은 약 0.75mm이며, 차차 가늘어진 부위의 각 길이 X 약 1cm이며, 결합부의 길이는 약 5cm이다.
유니트의 일단부는 모재유리가 섬유들로부터 용해된 것이 관측될때까지 대략 두시간 반동안 50%의 HF산에 6cm의 길이로 침지된다. 이런 에칭공정중에 유니트는 차차 가늘어진 단면들이 되도록 수 cm 정도 후퇴된다. 다음에 에칭공정이 그 유니트의 다른 단부에서 반복된다. 그 결과 결합기는 18cm의 길이를 갖고, 그 결합기 단부로부터 돌출한 섬유들은 6cm의 길이와 125㎛의 직경을 갖는다. 결합부에서 섬유들을 이격한 에칭가능한 유리의 두께는 약 2㎛인 것으로 추정된다.
전술한 방법이 1550nm의 파장에 쓰일 수 있도록 설계된 3dB 단일모드 결합기들을 제조하는데 사용된다. 그러한 결합기들은 1dB 이하의 손실특성을 보여준다.

Claims (18)

  1. 유리모재를 세로방향으로 관통하여 연장한 복수의 이격된 유리코어들을 가지며, 그 유리모재의 굴절률이 상기 유리코어들의 굴절률 보다 낮은 결합기 모체를 형성하는 결합기 모체 형성단계와; 유리봉을 형성하기 위해 상기 모체를 가열하고 인발하는 단계와; 상기 유리봉을 상기 코어들의 단면들이 일정한 면을 갖도록 복수의 유니트로 절단하는 단계와; 상기 유니트들의 각각의 중앙부에 열을 인가하는 단계와; 상기 가열된 중앙부를 신장하여 내부로 차차 가늘게 하도록 상기 유니트들의 각각의 일단부를 타단부에 대해 인장함으로써 상기 유니트의 코어들이 더욱 밀접히 이격되며 상기 코어들이 상기 유니트의 양단부에서의 직경보다 상기 중앙부에서의 직경이 더욱 작아지도록 하는 인장단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열 및 인발단계는 가열부위를 제공하는 단계와, 상기 가열부위와 상기 유니트 사이에 상대운동을 제공하는 단계와, 그 크기가 상기 가열 부위에 대한 상기 유니트의 상대위치에 따라 달라지는 장력을 상기 유니트에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 결합기 모체형성 단계는 두께가 결합기에 의해 전송될 광의 파장인 λ 보다 큰 굴절률 줄무늬를 형성하는 화학적 증기 증착공정에 의해 형성된 유리모재를 관통해서 연장한 보수의 이격된 유리코어들을 갖는 모체를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 가열 및 인발단계는 상기 줄무늬의 각각의 두께가 λ 보다 크지 않도록 결합기 모체직경을 감소하는데 충분한 양만큼 결합기 모체를 인발하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모재유리는 소정의 용매에 비교적 쉽게 용해되는 것이며 상기 각각의 결합기 코어는 상기 소정의 용매에 비교적 용해되기 어려운 클래딩 유리층으로 피복되는데, 상기 방법은 상기 유니트의 최소한 한단부를 상기 소정의 용매속에 침지시켜 그 단부에서 상기 모재유리의 침지된 부위를 용해시킴으로써 상기 유니트의 단부들과 상기 소정의 용매에 용해되기 어려운 클래딩 유리피복층을 노출시키는 단계를 아울러 포함하며, 상기 유니트의 단부에서 용해되지 않는 모재유리는 단면을 구성하고, 각각의 코어와 용해되지 않은 클래딩 유리의 피복층은 상기 단면으로부터 돌출한 섬유를 구성하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 침지단계는 상기 유니트의 상기 단부들 중 최소한 한 단부를 상기 용매속에 소정의 깊이만큼 침지한 다음, 차차 가늘어진 상기 돌출 섬유들의 단부를 형성하여 그 섬유들을 강화하기 위해, 상기 모재유리의 용해중에 상기 용매속으로부터 상기 유니트를 부분적으로 빼내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 모재유리는 소정의 용매에 비교적 쉽게 용해되고, 상기 결합기 코어들의 각각이 상기 소정의 용매에 비교적 용해되지 않는 클래딩 유리층으로 피복되는데, 상기 방법은 상기 소정의 용매에 상기 유니트의 알단부를 침지시켜 모재유리의 침지된 부위를 용해시켜 상기 유니트 코어들의 단부들과 상기 용매에 용해되기 어려운 유리의 피복층을 노출시키는 단계와, 상기 유니트이 나머지 단부에 광반사성 피복을 인가하는 단계를 아울러 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 결합기 모체 형성단계는 세로방향으로 연장하는 복수의 코어를 구비하는 모체를 형성하는 단계를 포함하는데, 상기 코어들 각각은 클래딩 유리층을 가지며, 상기 클래딩 유리층은 상기 모재유리에 매립되는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기의 제조방법.
  8. 소정의 용매에 비교적 쉽게 용해되는 모재유리로 형성되며 두 단면을 가진 신장된 몸체와 ; 상기 몸체를 관통하여 세로방향으로 연장하고 상기 단면중 최소한 한 단면으로부터 돌출하며, 상기 모재유리보다 상기 소정의 용매에 더 용해되기 어려운 외부클래딩 유리층 및 최소한 하나의 코어를 갖는 복수의 광섬유를 구비하는데 ; 상기 신장된 몸체의 중앙부위의 직경과 그 중앙부위에서의 상기 광섬유들의 직경은 각각 상기 몸체의 양단면에서의 상기 몸체 및 섬유들의 직경보다 더 작고, 상기 광섬유들은 상기 단면에서 보다 상기 중앙부에서 더욱 밀접히 이격되는 것을 특징으로 하는 저손실 섬유광학 결합기.
  9. 제8항에 있어서, 복수의 광섬유들이 상기 몸체의 최소한 한 단부로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 몸체로부터 연장하는 광섬유 부위에서 상기 광섬유들 각각을 모재유리의 차차 가늘어진 부위가 에워싸는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
  11. 소정 직경의 단부들과 상기 소정 직경보다 작은 직경으로 상기 소정직경으로부터 차차 가늘어지는 중앙부를 갖는 모재유리의 신장된 몸체와 ; 상기 몸체를 통하여 세로방향으로 연장하는 복수의 광섬유를 구비하는데 ; 상기 모재유리는 상기 전체몸체를 통하여 상기 광섬유에 일체로 결합되고, 상기 광섬유와 모재유리는 서로 분리되어 있지 않으며, 상기 광섬유는 최소한 코어 및 클래딩 유리층을 갖고, 상기 클래딩 유리의 굴절률은 상기 모재유리보다 크며, 상기 중앙부에서의 광섬유 직경은 상기 단부들에서의 직경보다 작고, 상기 코어들은 상기 단부들에서 보다 상기 중앙부에서 더 밀접하게 이격되며, 상기 중앙부에서의 상기 코어들간의 거리는 상기 광섬유들중 하나에서의 에너지가 다른 광섬유에 전달되도록 하기에 충분히 밀접하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 몸체는 각 단부에서 평면형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광섬유의 단부들은 상기 단면들의 평면에 놓여있는 것을 특징으로 하는 섬유 광학 결합기.
  14. 제11항에 있어서, 상기 광섬유들중 최소 하나는 상기 단부들중 최소 하나로부터 최소한 1cm 정도 돌출하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
  15. 제11항에 있어서, 상기 코어유리 및 모재유리는 도우핑된 SiO2를 함유하며, 상기 클래딩 유리는 SiO2로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
  16. 제11항에 있어서, 상기 모재유리는 SiO2와, 그 굴절률을 감소시키는 최소 하나의 도우핑제를 함유하는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
  17. 제11항에 있어서, 상기 코어들은 꼬이지 않은 나란한 관계로 배치되는 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
  18. 제11항에 있어서, 상기 중앙부에서의 상기 코어들 직경은 상기 단부에서의 직경의 1/20 보다 큰 것을 특징으로 하는 섬유광학 결합기.
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