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KR20050028606A - 저손실 광섬유 및 광섬유 모재의 제조 방법 - Google Patents

저손실 광섬유 및 광섬유 모재의 제조 방법 Download PDF

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KR20050028606A
KR20050028606A KR1020030065094A KR20030065094A KR20050028606A KR 20050028606 A KR20050028606 A KR 20050028606A KR 1020030065094 A KR1020030065094 A KR 1020030065094A KR 20030065094 A KR20030065094 A KR 20030065094A KR 20050028606 A KR20050028606 A KR 20050028606A
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KR
South Korea
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optical fiber
refractive index
core
clad
core layer
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KR1020030065094A
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오성국
김성진
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삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따른 저손실 광섬유는 상기 광섬유의 중심부에 위치하는 순수 실리카 재질의 내부 코어부와, 상기 내부 코어부를 둘러싸며 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어부를 포함하는 코어와; 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함한다.

Description

저손실 광섬유 및 광섬유 모재의 제조 방법{LOW LOSS OPTICAL FIBER AND METHOD FOR FABRICATING OPTICAL FIBER PREFORM}
본 발명은 광통신망에 관한 것으로서, 특히 광통신망의 전송로로서 사용되는 광섬유 및 상기 광섬유를 인출하기 위한 광섬유 모재에 관한 것이다.
광섬유 모재(optical fiber preform)를 제조하기 위한 내부화학증착법(modified chemical vapor deposition: MCVD)에서는 석영관(quartz tube) 내로 SiCl4, GeCl4, POCl3 등의 원료를 산소(O2)와 함께 공급하면서, 상기 석영관의 외주면을 가열한다. 이에 따른 열산화 반응으로 상기 석영관 내에 발생되는 그을음 형태의 산화 퇴적물(Soot)은 상기 석영관의 내벽 상에 증착된다. 이 때, 상기 석영관 내부로 유입되는 화학 원료의 농도를 컴퓨터로 미세하게 제어함으로써, 굴절률이 서로 다른 클래드층(clad layer)과 코어층(core layer)을 생성한다. 실제 빛이 전송되는 영역인 코어층의 굴절률이 클래드층의 굴절률보다 높아야 하기 때문에, 코어층 증착시 GeCl4의 비율을 클래드층 증착시보다 더 높여 준다. 이와 같은 증착 과정이 끝난 후, 상기 석영관을 고온으로 가열하여 그 직경을 줄여 나가는 클로징(closing) 및 콜랩스(collapse) 과정이 진행된다. 이러한 클로징 및 콜랩스 과정시 GeO₂화합물이 1400℃ 이상의 온도에서 분해(decomposition)됨으로써 코어층의 중심(center)에 굴절률이 감소하는 영역이 발생하게 된다. 이 영역을 코어 딥(core dip)이라고 칭한다. 즉, 코어층의 중심부에서 기화 현상(GeO2(s) ↔GeO(g) + 1/2 O2(g))이 발생함으로써, 굴절률이 감소된 코어 딥이 생성된다. 이러한 코어 딥을 갖는 광섬유는 광소자와의 결합 효율 감소, 전송 대역폭 감소 및 장파장 영역(1565~1625㎚)에서의 손실(loss) 증가를 겪게 되는 것으로 알려져 있다. 또한, 광섬유 모재의 클로징(closing) 및 콜랩스(collapse) 과정, 또는 광섬유 인출(drawing) 과정 동안에 이러한 코어 딥 내의 Ge-O 화학 결합이 깨지면서 발생되는 분자 결함은 광섬유의 산란 손실(scattering loss) 및 벤딩 손실(bending loss)을 증가시킨다.
도 1은 종래에 따른 코어 딥을 갖는 광섬유의 구성을 나타내는 도면이다. 상기 광섬유(100)는 광 전송 매질이 되며 그 중심부에 코어 딥(120)을 갖는 코어(110)와, 상기 코어(110)를 둘러싸는 클래드(150)를 포함한다. 상기 클래드(150)는 상기 코어(110)를 둘러싸는 내부 클래드(inner clad, 130)와, 상기 내부 클래드(130)를 둘러싸는 외부 클래드(140)를 포함한다. 상기 코어 딥(120)의 직경(A)과 상기 코어(110) 직경(B)의 비(A/B)가 커질수록, 장파장 영역에서 손실은 증가한다.
상술한 바와 같이, 종래에 따른 코어 딥(120)을 갖는 광섬유(100)는 상기 코어 딥(120) 내의 분자 결함으로 인하여, 장파장 영역에서의 손실이 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래에 비하여 장파장 영역에서의 손실을 감소시킬 수 있는 저손실 광섬유 및 상기 저손실 광섬유를 인출하기 위한 광섬유 모재의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 저손실 광섬유는 상기 광섬유의 중심부에 위치하는 순수 실리카 재질의 내부 코어부와, 상기 내부 코어부를 둘러싸며 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어부를 포함하는 코어와; 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저손실 광섬유를 나타내는 도면이다. 상기 저손실 광섬유(200)는 코어(230)와 클래드(260)를 포함한다.
상기 코어(230)는 광 전송 매질이 되고, 다층 구조를 가지며, 그 중심부에 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 순수 실리카 재질의 내부 코어부(210)와, 상기 내부 코어부(inner core portion, 210)를 둘러싸며 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어부(outer core portion, 220)을 포함한다. 상기 내부 코어부(210)의 직경(C)과 상기 코어(230) 직경(D)의 비(C/D)는 0보다 크고, 0.4이하일 수 있다.
상기 클래드(260)는 다층 구조를 가지며, 상기 코어(230)에 접한 내부 클래드부(inner clad portion, 240)와, 상기 내부 클래드부(240)을 둘러싸며 상기 내부 클래드부(240)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 외부 클래드부(outer clad portion, 250)를 포함한다. 상기 클래드(260)는 상기 광섬유(200) 내로 입사된 광을 상기 코어(230) 내에 가두기 위하여, 상기 코어(230)를 둘러싸며 상기 코어(230)에 접한 내부 클래드부(240)의 굴절률은 상기 외부 코어부(220)의 굴절률보다 낮다. 상기 내부 클래드부(240)는 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질이며, 상기 외부 클래드부(250)는 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질이거나 순수 실리카 재질일 수 있다. 이 때, 상기 굴절률 제어 물질은 GeO2, P2O5 등의 통상의 굴절률을 제어하기 위한 화합물들 중의 하나이거나 그들의 조합일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 저손실 광섬유와 전형적인 광섬유의 비교예를 나타내는 도면이다. 도 3에는, 상기 저손실 광섬유(200)의 전송 손실 곡선(310)과, 코어 딥을 갖는 전형적인 광섬유의 전송 손실 곡선이 도시되어 있다. 상기 전형적인 광섬유는 그 중심에 코어 딥을 갖는 단층 구조의 코어와, 상기 코어를 둘러싸며 내부 클래드부 및 외부 클래드부를 갖는 다층 구조의 클래드를 포함한다. 상기 전형적인 광섬유의 각 구성 요소의 굴절률 및 직경은 상기 저손실 광섬유(200)의 대응되는 구성 요소의 굴절률 및 직경과 동일하다. 도시된 바와 같이, 상기 저손실 광섬유(200)는 상기 전형적인 광섬유에 대하여 장파장 영역에서의 전송 손실이 보다 작음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 저손실 광섬유를 위한 광섬유 모재는 다양한 제작 공정에 따라 제작될 수 있다. 상기 저손실 광섬유가 내부화학증착법(modified chemical vapor deposition: MCVD)에 따라 제작되는 경우를 예를 들면 하기하는 바와 같다. 석영관 내로 SiCl4, GeCl4, POCl3 등의 원료물질을 산소(O2)와 함께 공급하면서, 산수소 버너(또는 토치 등)을 이용하여 상기 석영관의 외주면을 가열한다. 상기 석영관 내부로 유입되는 화학 원료의 농도를 컴퓨터로 미세하게 제어함으로써, 상기 석영관의 내벽 상에 굴절률이 서로 다른 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 클래드층과 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어층을 생성한다. 상기 석영관 내로 SiCl4로만 구성된 원료 물질을 산소와 함께 공급함으로써, 상기 외부 코어층 상에 순수 실리카 재질의 내부 코어층을 형성한다. 이러한 증착 과정이 모두 끝난 후, 상기 석영관을 고온으로 가열하여 그 직경을 줄여 나가는 클로징(closing) 및 콜랩스(collapse) 과정을 수행함으로써 1차 광섬유 모재가 생성된다. 상기 1차 광섬유 모재의 직경을 늘리기 위하여, 다른 석영관을 이용한 오버 클래딩(overcladding) 공정을 더 수행할 수 있다. 상기한 증착 과정에서, GeCl4 및 POCl3는 굴절률을 조절하기 위해 사용되는 화합물들로서, 경우에 따라 어느 한 화합물만을 사용하거나, 그 조합을 사용하거나, 예를 들어 CF4, SiF4 등과 같은 다른 화합물을 더 사용할 수 있다. 상기 1차 광섬유 모재(또는 2차 광섬유 모재)의 끝단을 용융시킴으로써 저손실 광섬유를 인출할 수 있으며, 이 때 상기 1차 광섬유 모재의 석영관은 상기 저손실 광섬유의 외부 클래드부에 해당하며, 상기 클래드층은 상기 저손실 광섬유의 내부 클래드부에 해당한다.
본 발명에 따른 저손실 광섬유를 위한 광섬유 모재가 퍼니스 화학증착법(furnace chemical vapor deposition: FCVD)에 따라 제작되는 경우에는 산수소 버너 대신에 고정된 또는 이동하는 퍼니스를 이용한다는 점을 제외하고는, 상술한 내부화학 증착법의 과정들이 동일하게 수행된다.
본 발명에 따른 저손실 광섬유를 위한 광섬유 모재가 플라즈마 화학증착법(plasma chemical vapor deposition: PVCD)에 따라 제작되는 경우에는 플라즈마 생성을 위해 전자파 공진기(microwave resonator)가 더 사용된다는 점을 제외하고는, 상술한 내부화학증착법의 과정들이 동일하게 수행된다.
본 발명에 따른 저손실 광섬유를 위한 광섬유 모재가 외부 증착법(outside vapor deposition: OVD)에 따라 제작되는 경우를 예를 들면 하기하는 바와 같다. 흑연 봉의 외주면에 토치(torch)를 이용하여 화염과 화학 원료를 분사함으로써, 가수분해 반응에 따른 층을 형성한다. 상기 토치에 제공되는 화학 원료의 농도 등을 컴퓨터로 미세하게 제어함으로써, 상기 흑연 봉의 외주면 상에 굴절률이 서로 다른 순수 실리카 재질의 내부 코어층과, 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어층과, 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 클래드층을 생성한다. 이러한 층 형성 과정이 끝난 후, 상기 흑연 봉을 제거하고, 상기 층들을 고온으로 가열하여 그 직경을 줄여 나가는 클로징 및 콜랩스 과정을 수행함으로써 1차 광섬유 모재가 생성된다. 상기 1차 광섬유 모재의 직경을 늘리기 위하여, 석영관을 이용한 오버 클래딩 공정을 더 수행함으로써 2차 광섬유 모재가 생성된다. 상기 2차 광섬유 모재의 끝단을 용융시킴으로써 저손실 광섬유를 인출할 수 있으며, 이 때 상기 2차 광섬유 모재의 석영관은 상기 저손실 광섬유의 외부 클래드부에 해당하고, 상기 클래드층은 상기 저손실 광섬유의 내부 클래드부에 해당한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저손실 광섬유를 위한 광섬유 모재의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도시된 장치는 축 증착법(vapor phase axial deposition, VAD)을 구현하기 위한 장치로서, 척(chuck, 410)과, 순수 실리카 재질의 초기 로드(420)와, 제1 내지 제3 버너(burner, 430~450)를 포함한다.
상기 척(410)은 수직 이동 및 회전이 가능하며, 상기 초기 로드(420)의 상단을 클램핑(clamping)하여 고정한다.
상기 초기 로드(420)는 그 상단이 상기 척(410)에 고정되며, 축 증착 공정 동안에 회전함과 동시에 상향 이동하게 된다.
상기 제1 버너(430)는 상기 초기 로드의 중심 방향으로 화염을 분사함으로써, 순수 실리카 재질의 내부 코어층(510)을 하향 성장시킨다. 상기 제1 버너(430)에는 연료와 원료물질이 공급되며, 화염 분사에 의해 상기 초기 로드(420)의 끝단 상에 내부 코어층(510)을 증착하게 된다. 상기 원료물질은 SiCl4, GeCl4, POCl3 등의 화합물들일 수 있다.
상기 제2 버너(440)는 상기 내부 코어층(510)의 외주면을 향하여 화염을 분사함으로써, 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어층(520)을 증착한다. 상기 제2 버너(440)에는 연료와 원료물질이 공급되며, 화염 분사에 의해 상기 상기 내부 코어층(510)의 외주면(132) 상에 외부 코어층(520)을 증착하게 된다.
상기 제3 버너(450)는 상기 외부 코어층(520)의 외주면을 향하여 화염을 분사함으로써, 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 클래드층(530)을 증착한다. 상기 제3 히터(450)에는 연료와 원료물질이 공급되며, 화염 분사에 의해 상기 외부 코어층(520)의 외주면 상에 클래드층(530)을 증착하게 된다.
이후 도시되지는 않았으나, 상술한 축 증착법에 따라 1차 광섬유 모재가 생성된다. 상기 1차 광섬유 모재의 직경을 늘리기 위하여, 석영관을 이용한 오버 클래딩 공정을 더 수행함으로써 2차 광섬유 모재가 생성된다. 상기 2차 광섬유 모재의 끝단을 용융시킴으로써 저손실 광섬유를 인출할 수 있으며, 이 때 상기 2차 광섬유 모재의 석영관은 상기 저손실 광섬유의 외부 클래드부에 해당하고, 상기 클래드층은 상기 저손실 광섬유의 내부 클래드부에 해당한다.
본 발명에 따른 저손실 광섬유의 클래드는 내부 클래드부 및 외부 클래드부를 포함하는 다층 구조를 가질 수도 있고, 필요에 따라 단층 구조를 가질 수도 있다. 즉, 추가의 오버 클래딩 과정없이 1차 광섬유 모재로부터 저손실 광섬유를 인출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 저손실 광섬유의 클래드는 코어보다 낮은 굴절률을 갖는다는 조건하에서 임의의 재질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 클래드는 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질이거나 순수 실리카 재질일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 저손실 광섬유는 단일 모드 전송을 위한 단일 모드 광섬유 또는 복수 모드들의 전송을 위한 다중 모드 광섬유일 수 있다. 이러한 단일 모드 광섬유와 다중 모드 광섬유의 구분은 코어의 직경, 광섬유의 굴절률 분포 등에 의해 정해지므로, 상술한 바와 같은 제작 방법들을 이용하여 소망하는 저손실 광섬유를 제작할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 저손실 광섬유는 그 중심부에 순수 실리카 재질의 내부 코어부를 갖는 코어를 포함함으로써, 종래에 비하여 장파장 영역에서의 손실을 감소시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래에 따른 코어 딥을 갖는 광섬유의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저손실 광섬유를 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 저손실 광섬유와 전형적인 광섬유의 비교예를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저손실 광섬유를 위한 광섬유 모재의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.

Claims (11)

  1. 광섬유에 있어서,
    상기 광섬유의 중심부에 위치하는 순수 실리카 재질의 내부 코어부와, 상기 내부 코어부를 둘러싸며 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어부를 포함하는 코어와;
    상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함함을 특징으로 하는 저손실 광섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 코어부의 직경과 상기 코어의 직경의 비는 0보다 크고 0.4이하임을 특징으로 하는 저손실 광섬유.
  3. 제1항에 있어서, 상기 클래드는,
    상기 외부 코어부를 둘러싸며 상기 외부 코어부의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 내부 클래드부와;
    상기 내부 클래드부를 둘러싸는 외부 클래드부를 포함함을 특징으로 하는 저손실 광섬유.
  4. 제1항에 있어서, 상기 클래드는,
    상기 외부 코어부를 둘러싸며 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 내부 클래드부와;
    상기 내부 클래드부를 둘러싸는 외부 클래드부를 포함함을 특징으로 하는 저손실 광섬유.
  5. 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서,
    석영관의 내벽 상에 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 클래드층을 증착하는 과정과;
    상기 클래드층 상에 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어층을 증착하는 과정과;
    상기 외부 코어층 상에 순수 실리카 재질의 내부 코어층을 증착하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광섬유 모재는 상기 석영관의 길이 방향을 따라 이동하면서 상기 석영관의 외주면을 가열하는 버너를 이용한 내부화학 증착법에 의해 제조됨을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광섬유 모재는 상기 석영관의 외주면을 가열하는 퍼니스를 이용한 퍼니스 화학증착법에 의해 제조됨을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 퍼니스는 상기 석영관의 길이 방향을 따라 이동하면서 상기 석영관의 외주면을 가열함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  9. 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서,
    봉의 외주면 상에 순수 실리카 재질의 내부 코어층을 증착하는 제1 과정과;
    상기 내부 코어층 상에 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어층을 증착하는 제2 과정과;
    상기 외부 코어층의 외주면 상에 상대적을 낮은 굴절률을 갖는 클래드층을 증착하는 제3 과정을 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 과정을 거친 결과물에서 상기 봉을 제거하는 제4 과정과;
    상기 제4 과정을 거친 결과물을 가열하여 내부 빈 공간이 없도록 그 외경을 감소시키는 제5 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  11. 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서,
    봉의 끝단으로부터 순수 실리카 재질의 내부 코어층을 상기 봉의 길이 방향으로 성장시키는 과정과;
    상기 내부 코어층의 외주면 상에 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 외부 코어층을 증착하는 과정과;
    상기 외부 코어층의 외주면 상에 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 클래드층을 증착하는 과정을 포함함을 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
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